Pellegrini é a recordista mundial da prova dos 200 metros livre, com marca obtida no Mundial de Esportes Aquáticos de 2009, em Roma. Além disso, a italiana venceu esta prova nos Jogos de Pequim, em 2008, e a prata na Olimpíada de Atenas, em 2004, quando tinha apenas 16 anos.
Desde 2005, em Montreal, Pellegrini vem conquistando medalhas nos 200 metros no Mundial. São, portanto, seis pódios consecutivos nesta prova, incluindo os ouros conquistados em 2009 e 2011 - nessas duas edições da competição, ela também foi campeã nos 400 metros.
Pellegrini é considerada a atleta mais popular da Itália e se tornará a quinta mulher e a primeira nadadora a ser porta-bandeira do país em uma edição dos Jogos Olímpicos.