Scrivi una continuazione per questo paragrafo - Originario di Nus, Pellegrino ha fatto il suo debutto nella Coppa del Mondo nella stagione 2009-10. Ha ottenuto i suoi migliori risultati negli eventi di sprint e ha vinto la Sprint Cup nella stagione 2015/16, diventando il primo non scandinavo a vincere la Sprint World Cup. Al 30 novembre 2018 Pellegrino ha vinto 12 vittorie individuali in Coppa del Mondo, tutte sprint: detiene il record per la maggior parte delle vittorie individuali per un italiano nella Coppa del Mondo di Cross Country. Ha vinto la sua prima medaglia internazionale nello sci di fondo ai Campionati del Mondo 2015
a Falun, in Svezia. Insieme a Dietmar Nöckler, Pellegrino ha vinto una medaglia di bronzo nello sprint di squadra, classico. Nel 2017 è diventato Campione del Mondo dopo aver vinto l'evento di sprint freestyle durante i Campionati del Mondo 2017 a Lahti, in Finlandia. Questa è stata la prima medaglia d'oro per gli uomini italiani ai Mondiali nordici da quando Renato Pasini e Cristian Zorzi hanno vinto lo sprint a squadre nel 2007. Ha fatto parte della squadra italiana che ha vinto la seconda medaglia consecutiva della nazione nell'evento di sprint di squadra, questa volta una medaglia d'argento insieme al compagno di squadra Dietmar Nöckler.