Scrivi una continuazione per questo paragrafo - Ai Campionati del Mondo del 2009 a Roma, Pellegrini ha battuto nuovamente il record mondiale nei 400 m stile libero con un tempo di 3:59.15, vincendo la medaglia d'oro e diventando così la prima nuotatrice a superare la barriera dei 4 minuti nell'evento; ha vinto la medaglia d'oro anche nei 200 m stile libero e ha battuto il proprio record mondiale con un tempo di 1:52.98. Ai Campionati Europei di Corsa Corta 2009 a Istanbul ha battuto il record mondiale nei 200 m stile libero con un tempo di 1: 51.17. Ai Campionati Europei 2010
a Budapest Pellegrini ha vinto la medaglia di bronzo negli 800 m stile libero, dietro a Lotte Friis e Ophélie-Cyrielle Etienne, e la medaglia d'oro nei 200 m stile libero con un tempo di 1: 55.45; nello stesso anno, ha annunciato che avrebbe lavorato con l'ex allenatore di Laure Manadou, Philippe Lucas.