Jabarkan Sassuolo dari Lorenzo Pellegrini

Pda tanggal 30 Juni 2015, Pellegrini pindah ke klub Serie A Sassuolo dengan biaya transfer €1,25 juta. Dalam perjanjian transfer tersebut, terdapat klausa pembelian kembali yang memungkinkan Roma untuk kembali membeli Pellegrini di kemudian hari. Pellegrini membuat debut untuk Sassuolo pada tanggal 8 November 2015, dalam pertandingan melawan Carpi yang berakhir dengan kemenangan 1-0. Ia mencetak gol pertama di bulan berikutnya, dalam pertandingan melawan Sampdoria yang berakhir dengan skor 3-0. Sepanjang musim, Pellegrini bermain di 20 pertandingan untuk Sassuolo, termasuk satu pertandingan di Coppa Italia, dan mencetak total tiga gol. Pada Serie A musim 2016–17, Pellegrini menjadi pemain termuda yang berkontribusi dalam terciptanya sepuluh gol selama satu musim Serie A. Pada tanggal 10 April 2017, ia telah berhasil mencetak enam gol dan memberikan empat assist. Secara total, Pellegrini tampil di 34 pertandingan bersama Sassuolo, mencetak delapan gol dan tujuh assist, sebelum kembali bergabung dengan Roma pada akhir musim.