Pellegrini világversenyen először a 2003-as úszó-világbajnokságon állt rajthoz, akkor még komolyabb eredmény nélkül. Egy évvel később az athéni olimpián azonban megszerezte első érmét, ezüstöt nyert a 200 méteres gyorsúszásban. A 2007-es világbajnokságon már az elődöntő során világcsúcsot úszott, Franziska van Almsick rekordját mintegy két tizeddel megdöntve. Második aranyérmét 2008. március 24-én világcsúccsal nyerte Eindhovenben az Európa-bajnokságon, 4:01,53-as időeredménnyel. Így Pekingbe az olimpiára már fő esélyesként érkezett, és a várakozásoknak megfelelően 2008. augusztus 13-án megszerezte élete első olimpiai bajnoki címét, miután a 200 méteres gyorsúszás döntőjét világcsúccsal megnyerte. Aranyérmet nyert a 2009-es római világbajnokság 400 méteres gyorsúszó számában, a döntőben elért 3:59,15-es eredménye a világ első 4 percen belüli ideje. A budapesti rendezésű 2010-es úszó-Európa-bajnokságon 800 méteres gyorsúszásban nyert bronzérmet, 200 méteren viszont aranyérmet szerzett. Aranyérmet szerzett, így megvédte címét a 2011-es sanghaji világbajnokság 400 méteres gyorsúszó számában. A 2016-os riói olimpián lemaradt a dobogóról is.