Nos Campionatos do Mundo de 2009 en Roma, Pellegrini rompeu o récord mundial de novo nos 400 m estilo libre cun tempo de 3:59.15, gañando a medalla de ouro e ao facelo converteuse na primeira nadadora en romper a barreira de 4 minutos no evento; gañou a medalla de ouro tamén nos 200 m estilo libre e rompeu o seu propio récord mundial cun tempo de 1:52.98. Nos Campionatos Europeos de Curta Distancia de 2009 en Estambul, rompeu o récord mundial nos 200 m estilo libre cun tempo de 1:51.17. No Campionato de Europa de 2010
En Budapest, Pellegrini gañou a medalla de bronce nos 800 m estilo libre, detrás de Lotte Friis e Ophélie-Cyrielle Etienne, e a medalla de ouro nos 200 m estilo libre cun tempo de 1:55.45; no mesmo ano, anunciou que traballaría co ex adestrador de Laure Manadou, Philippe Lucas.