في بطولة العالم 2009 في روما، حطمت بيليجريني الرقم القياسي العالمي مرة أخرى في سباق 400 متر بحرية مع وقت 3: 59.15، وفازت بالميدالية الذهبية وبذلك أصبحت أول سباحة أنثى تكسر حاجز 4 دقائق في الحدث؛ فازت بالميدالية الذهبية أيضًا في سباق 200 متر بحرية وحطمت الرقم القياسي العالمي الخاص بها مع وقت 1: 52.98. في بطولة أوروبا للسباقات القصيرة في عام 2009 في اسطنبول ، كسرت الرقم القياسي العالمي في سباق 200 متر بحرية مع وقت 1: 51.17. في بطولة اوروبا 2010
في بودابست ، فازت بيليجريني بالميدالية البرونزية في سباق 800 متر حرة ، وراء لوتيه فريس وأوفيلي-سيرييل إتيان ، والميدالية الذهبية في سباق 200 متر حرة مع وقت 1: 55.45 ؛ في نفس العام ، أعلنت أنها ستعمل مع مدرب لور مانادو السابق ، فيليب لوكاس.