In 2021 speelde Pegula op het Australian Open – door onder meer Viktoryja Azarenka (12) en Elina Svitolina (5) te verslaan, bereikte zij nu ook in het enkelspel de kwartfinale. Door dit resultaat kwam zij binnen in de top-50 van de wereldranglijst in het enkelspel. In juli nam zij deel aan de Olympische spelen in Tokio, in het dubbelspel aan de zijde van Bethanie Mattek-Sands – zij bereikten de kwartfinale, waarin zij werden uitgeschakeld door het Braziliaanse duo Laura Pigossi en Luisa Stefani. In augustus kwam zij ook in het dubbelspel de top-50 binnen.