Az olasz válogatottban a San Marino elleni 8–0-s győzelem alkalmával mutatkozott be 2017. május 31-én. Luigi Di Biagio meghívta az olasz U21-es válogatott keretébe a 2017-es U21-es Európa-bajnokságra, ahol Pellegrini a Dánia elleni csoportmérkőzésen gólt is szerzett az elődöntőbe jutó csapatban. Két évvel később ismét részt vett az U21-es labdarúgó-Európa-bajnokságon. 2017. május 31-én mutatkozott be a felnőtt válogatottban San Marino ellen. 2019. szeptember 5-én fejesből szerezte meg első gólját az örmény válogatott ellen 3–1-re megnyert 2020-as labdarúgó-Európa-bajnokság selejtező mérkőzésén.