Bei den Weltmeisterschaften 2007 in Melbourne stellte sie im Halbfinale einen neuen Weltrekord über 200 Meter Freistil auf. In 1:56,47 Sekunden unterbot sie die alte Bestmarke von Franziska van Almsick um fast zwei Zehntelsekunden. Einen Tag später verlor sie im Endlauf den Rekord an die Französin Laure Manaudou. Auch Annika Lurz war im gleichen Rennen schneller, Pellegrini gewann die Bronzemedaille.
Bei den Europameisterschaften 2008 in Eindhoven stellte sie am 24. März 2008 mit 4:01,53 Minuten einen neuen Weltrekord über 400 Meter Freistil auf und sicherte sich damit die zweite Goldmedaille in ihrer Karriere.
Am 13. August 2008 wurde sie als erste italienische Schwimmerin bei den Olympischen Spielen in Peking Olympiasiegerin über 200 Meter Freistil, in der Weltrekordzeit von 1:54,82 Minuten. Über 400 Meter Freistil belegte sie den fünften Platz.
Bei den Mittelmeerspielen in Pescara schwamm Pelligrini im Juni 2009 auf der 400-Meter-Freistil-Strecke 4:00,41 Minuten und verbesserte damit den im März 2009 an die Britin Joanne Jackson verlorenen Weltrekord um zwei Zehntel.[1] Am 8. März 2009 hatte sie ihren eigenen Weltrekord über 200 Meter Freistil auf 1:54,47 Minuten verbessert. Bei den Weltmeisterschaften 2009 in Rom gewann sie vor heimischem Publikum Gold über 200 und 400 Meter Freistil jeweils in Weltrekordzeit. Bei ihrem Sieg über 400 Meter blieb sie zudem als erste Frau unter der 4-Minuten-Grenze.
Wie vier Jahre zuvor verpasste Pellegrini auch bei den Olympischen Spielen 2016 in Rio de Janeiro, wo sie ihre Karriere eigentlich beenden wollte, eine Medaille und wurde über 200 Meter Freistil Vierte hinter Katie Ledecky, Sarah Sjöström und Emma McKeon. Der verfehlte krönende Abschluss bewegte Pellegrini dazu, ihre Karriere fortzusetzen.
Bei den Weltmeisterschaften 2017 in Budapest holte Pellegrini zum dritten Mal WM-Gold über 200 Meter Freistil. Auf den letzten 15 Metern der Strecke setzte sie sich gegen die favorisierte Katie Ledecky durch, die sich nach zwölfmal Einzelgold bei Weltmeisterschaften erstmals mit Silber zufriedengeben musste. Als erster Schwimmer schaffte sie es damit, siebenmal in Folge in derselben Schwimmdisziplin eine Medaille bei einer Weltmeisterschaft zu gewinnen. Unmittelbar nach dem Sieg teilte sie mit, dass dies wahrscheinlich ihr letztes 200-m-Finale war und sie sich in Zukunft auf die 100-Meter-Strecke konzentrieren möchte.
Bei ihrer fünften Olympiateilnahme in Tokio gelang ihr 2021 über 200 Meter Freistil zum fünften Mal in Folge und als weltweit erste Schwimmerin überhaupt ein Finaleinzug in der gleichen Schwimmdisziplin. Ihre jüngste Finalgegnerin, die Chinesin Yang Junxuan, war erst zwei Jahre alt, als Pellegrini bei ihrer ersten Olympiateilnahme 2004 die Silbermedaille gewann.[3] Sie beendete das von Ariarne Titmus gewonnene Finale schließlich als Siebte mit einer Zeit von 1:55.91 und 2 Sekunden 41 Rückstand.
.svg){kind=small}
.svg){kind=small}
