22 березня 2015 року у віці 18 років він дебютував за першу команду в матчі Серії А проти «Чезени», вийшовши на заміну на 67-ій хвилині замість Саліха Учана[4]. Цей матч так і залишився єдиним для гравця того сезону.
30 червня 2015 року Лоренцо покинув «Рому» і підписав контракт з «Сассуоло». Сума трансферу склала 1,25 млн. євро[5]. 8 листопада 2015 року дебютував у складі свого нового клубу, вийшовши у стартовому складі на матч з «Карпі»[6]. З тих пір став гравцем основної обойми. У першому сезоні 2015/16 провів 19 зустрічей і забив 3 м'ячі, а у наступному дебютував у єврокубках 29 вересня 2016 року, в матчі Ліги Європи з «Генком» (3:1). 3 листопада, у домашній грі Ліги Європи проти «Рапіда» (2:2), він забив свій перший гол у єврокубках. Також він продовжував забивати і у Серії А, ставши наймолодшим гравцем, який забив 10 голів у найвищому італійському дивізіоні.
30 червня 2017 року Пеллегріні повернувся до «Роми», підписавши контракт до 30 червня 2022 року, сума трансферу склала € 10 млн[7][8][9]. Ініціатором повернення став тренер Еусебіо Ді Франческо, що саме перейшов з «Сассуоло» в «Рому» і вирішив скористатись правом викупу гравця, прописаного у попередньому переході[10]. 2022 року Пеллегріні допоміг команді виграти дебютний розіграш Ліги конференцій, зігравши в тому числі і у фінальному матчі проти «Феєнорда» (1:0)[11]. Станом на 24 травня2022 року відіграв за «вовків» 142 матчі в національному чемпіонаті.
10 грудня 2023 року матч Серії А проти «Фіорентини» став для Пеллегріні ювілейним, 250-м, у складі «Роми» у всіх турнірах[12].
Виступи за збірні
2014 року дебютував у складі юнацької збірної Італії, взяв участь у 15 іграх на юнацькому рівні, відзначившись одним забитим голом.
З 2015 року залучався до складу молодіжної збірної Італії, з якою поїхав на молодіжний чемпіонат Європи 2017 року. На цьому турнірі він забив гол у грі проти однолітків з Данії (2:0)[13] та допоміг команді стати півфіналістом турніру. Всього на молодіжному рівні зіграв у 13 офіційних матчах, забив 4 голи.
2 червня 2021 року був включений до заявки національної команди на Євро-2020, утім за день до старту турніру травмувався і був замінений у заявці на Гаетано Кастровіллі[16].
