Di Gregorio nahm bereits an der Europameisterschaft 2002 in München und den Olympischen Spielen 2008 teil, aber erst 2009 gelang ihm der internationale Durchbruch. Bei den Halleneuropameisterschaften in Turin siegte der Brite Dwain Chambers vor den beiden Italienern Fabio Cerutti und Emanuele Di Gregorio, die beide in 6,56 s nur eine Hundertstelsekunde über dem italienischen Rekord von Simone Collio blieben. Nach der Bronzemedaille in der Halle schied Di Gregorio bei den Weltmeisterschaften 2009 über 100 Meter im Viertelfinale aus, erreichte aber mit der Staffel das Finale; in der Besetzung Roberto Donati, Collio, Di Gregorio und Cerutti lief die Staffel in 38,54 s auf den sechsten Platz.