Al Giro d'Itàlia de 2009 va acabar tercer classificat, acompanyant a la maglia rosaDenís Ménxov i al segon Danilo Di Luca. A més, va obtenir una victòria d'etapa a l'ascensió al Blockhaus, port de categoria especial. Posteriorment es va saber que Di Luca, havia donat positiu per CERA. L'exclusió i sanció a Di Luca va fer que, en un principi, Pellizotti pugés al segon lloc de la general i se li atorgés una etapa més.
Al Tour de França va aconseguir el mallot de la muntanya, per davant d'Egoi Martínez; i també va aconseguir el premi de la combativitat.
La fiscalia antidopatge del CONI demanà una sanció de dos anys de suspensió pel corredor, sobre la base dels resultats anòmals detectats. El 8 de novembre de 2010 el Tribunal Nacional Antidopatge (TNA) del CONI va absoldre el corredor al considerar que els indicis presentats eren insuficients i que no hi havia un nivell de certesa suficient per condemnar al ciclista.[2]
L'UCI, va mostrar el seu rebuig a la decisió del TNA italià i va anunciar que presentaria un recurs davant el TAS, la màxima instància esportiva.[3][4] El 8 de març del 2011 el TAS va sancionar amb dos anys de suspensió a Franco Pellizotti per dopatge, reforçant així l'ús del passaport biològic com mètode per la lluita antidopatge.[5] El TAS va ordenar també la seva exclusió de totes les curses en les que hagués participat a partir del dia dels seus resultats anòrmals en el passaport biològic. Així li van ser anul·lats els resultats del 2009: el segon lloc al Giro d'Itàlia seria per Carlos Sastre, la seva victòria al Blockhaus durant aquell Giro pasaria a Stefano Garzelli i el mallot de la muntanya del Tour de França a mans d'Egoi Martínez.[6][7][8][9][10][11][12]