Hinterzartenissa vuonna 2010 pidetyissä nuorten MM-kisoissa Pellegrino saavutti pronssia vapaan hiihtotavan sprintistä. Oslon MM-kilpailuissa 2011 ja Val di Fiemmen MM-kilpailuissa 2013 hän oli sprintissä kahdestoista, Sotšin olympialaisissa 2014 yhdestoista ja Falunin MM-kilpailuissa 2015 viides. Hän sai Falunissa pronssia vapaan hiihtotavan parisprintissä Dietmar Nöcklerin kanssa. Hän voitti vapaan hiihtotavan sprintin maailmanmestaruuden ja sai Nöcklerin kanssa parisprintissä hopeaa Lahdessa 2017. Pyeongchangin olympialaisissa 2018 hän saavutti hopeaa perinteisen hiihtotavan sprintissä. Seefeldin MM-kilpailuissa 2019 Pellegrino voitti hopeaa vapaan hiihtotavan sprintissä ja pronssia perinteisen hiihtotavan parisprintissä. Oberstdorfin MM-kilpailuissa 2021 hän sijoittui perinteisen hiihtotavan sprintissä 11:nneksi.