Ljúka eftirfarandi setningu: Á heimsmeistaramótinu 2009 í Róm, braut Pellegrini heimsmet aftur í 400 m frjálsum stíli með tíma 3:59.15, og vann gullverðlaun og varð þar með fyrsta kvenkyns sundmaðurinn til að brjóta 4 mínútna hindrunina í viðburðinum; hún vann gullverðlaun einnig í 200 m frjálsum stíli og hún braut sitt eigið heimsmet með tíma 1:52.98. Á Evrópumótaröðinni í stuttum hlaupum 2009 í Istanbúl braut hún heimsmetið í 200 m frjálsum stíl með tíma 1:51.17. Á
2010 Evrópumótaröð í Búdapest Pellegrini vann bronsverðlaun í 800 m frjáls, á eftir Lotte Friis og Ophélie-Cyrielle Etienne, og gullverðlaun í 200 m frjáls með tíma 1:55.45; sama ár tilkynnti hún að hún myndi vinna með fyrrum þjálfara Laure Manadou, Philippe Lucas.