Fuldfør følgende sætning: Ved verdensmesterskaberne i Rom i 2009 slog Pellegrini verdensrekorden igen i 400 m freestyle med en tid på 3:59.15, hvor hun vandt guldmedaljen og dermed blev den første kvindelige svømmer til at bryde 4-minutters barrieren i begivenheden; hun vandt også guldmedaljen i 200 m freestyle og hun brød sin egen verdensrekord med en tid på 1:52.98. Ved 2009 European Short Course Championships i Istanbul slog hun verdensrekorden i 200 m freestyle med en tid på 1:51.17. På
På EM i Budapest i 2010 vandt Pellegrini bronzemedaljen i 800 m freestyle, bag Lotte Friis og Ophélie-Cyrielle Etienne, og guldmedaljen i 200 m freestyle med en tid på 1:55.45; samme år annoncerede hun, at hun ville arbejde sammen med Laure Manadou's tidligere træner, Philippe Lucas.