Skryf 'n voortsetting vir hierdie paragraaf - Oorspronklik van Nus, het Pellegrino sy Wêreldbeker-debuut in die 2009/10 seisoen gemaak. Hy het sy beste resultate behaal in die sprintbyeenkomste en het die Sprintbeker in die 2015/16 seisoen gewen en die eerste nie-Skandinawiese geword wat die Sprint-wêreldbeker gewen het. Vanaf 30 November 2018 het Pellegrino 12 individuele Wêreldbeker-oorwinnings behaal, almal van hulle sprints: hy hou die rekord vir die meeste individuele oorwinnings vir 'n Italiaan in die Wêreldbeker-Trekwedstryd. Hy het sy eerste internasionale medalje in langlauf op die Wêreldkampioenskappe in 2015 gewen.
in Falun, Swede. Saam met Dietmar Nöckler het Pellegrino 'n bronsmedalje gewen in die spansprint, klassiek. In 2017 het hy die Wêreldkampioen geword nadat hy die sprintvryloop tydens die 2017 Wêreldkampioenskappe in Lahti, Finland, gewen het. Dit was die eerste goue medalje vir die Italiaanse mans by die Nordiese Wêreldkampioenskappe sedert Renato Pasini en Cristian Zorzi die spansprint in 2007 gewen het. Hy was deel van die Italiaanse span wat die land se tweede agtereenvolgende medalje gewen het in die spansprint, hierdie keer 'n silwermedalje saam met sy spanmaat Dietmar Nöckler.