Pellegrino debytoi MM-kisoissa kaudella 2009/10. Hän on saavuttanut parhaat tuloksensa sprintti-otteluissa ja voittanut Sprint Cupin kaudella 2015/16, jolloin hänestä tuli ensimmäinen ei-skandinaavinen Sprint World Cup -kisojen voittaja. 30. marraskuuta 2018 mennessä Pellegrino on voittanut 12 yksittäistä maailmancupin voittoa, kaikki niistä sprintejä: hänellä on ennätys useimmista yksittäisistä voittoista italialaiselle Cross-Country World Cupissa. Hän voitti ensimmäisen kansainvälisen mitalinsa maastohiihdosta vuoden 2015 maailmanmestaruuskilpailussa.
Falunissa, Ruotsissa. Yhdessä Dietmar Nöcklerin kanssa Pellegrino voitti pronssimitalin tiimisprintissä. Vuonna 2017 hänestä tuli maailmanmestari, kun hän voitti sprintti-vapaan tyylin tapahtuman Lahdessa, Suomessa. Tämä oli italialaisten miesten ensimmäinen kultamitali Pohjoismaissa sitten Renato Pasinin ja Cristian Zorzin voiton tiimisprintissä vuonna 2007. Hän oli osa italialaista joukkuetta, joka voitti maan toisen peräkkäisen mitalin joukkueen sprintissä, tällä kertaa hopeamitalin joukkuetoverinsa Dietmar Nöcklerin kanssa.