Federica ha partecipato quattro volte alle Olimpiati: la prima nel 2004 quando a soli 16 anni conquistò la Medaglia d'Argento nei 200 m stile libero. Poi nel 2008, ai Giochi di Pechino, vinse in quella stessa gara la medaglia d'oro. Nel 2012 partecipò alle Olimpiadi di Londra, con scarsi risultati. La Pellegrini ebbe la sua rivincita alle Olimpiadi di Rio nel 2016, conquistando l'Oro.