Pellegrino tegi oma debüüdi maailmameistrivõistlustel 2009/10 hooajal. Ta on saavutanud oma parimaid tulemusi sprintvõistlustel ja võitis Sprint Cup'i hooajal 2015/2016, saades esimeseks mitte-skandinaavlaseks, kes võitis Sprint World Cup'i. 30. novembri 2018. aasta seisuga on Pellegrino võitnud 12 individuaalset maailmameistrivõistlust, kõik neist sprints: tal on rekord kõige rohkem individuaalseid võitu itaallaste jaoks Maailmapilti. Ta võitis oma esimese rahvusvahelise medali suusatamisel 2015. aasta maailmameistrivõistlustel.
Falun, Rootsi. Koos Dietmar Nöckleriga võitis Pellegrino meeskondlikus sprintis, klassikas, pronssimedali. Aastal 2017 sai ta maailma meistriks, olles võitnud 2017. aasta Lahtis toimunud maailmameistrivõistlustel sprinti freestyle'i võistluse. See oli esimene kuldmedal Itaalia meestele Põhjamaade maailmameistrivõistlustel pärast Renato Pasini ja Cristian Zorzi võitu 2007. aastal meeskonna sprintis. Ta oli osa Itaalia meeskonnast, kes võitis riigi teise järjestikuse medali meeskonna sprintis, seekord hõbemedaali koos meeskonnakaaslase Dietmar Nöckleriga.