Pierwszy medal wśród seniorów wywalczył w 2015 roku, kiedy wspólnie z Dietmarem Nöcklerem zajął trzecie miejsce w sprincie drużynowym podczas mistrzostw świata w Falun. W tym samym składzie Włosi wywalczyli srebrny medal na mistrzostwach świata w Lahti w 2017 roku. Na tej samej imprezie Pellegrino zdobył także złoty medal w sprincie stylem dowolnym, wyprzedzając Rosjanina Siergieja Ustiugowa i Johannesa Høsflota Klæbo z Norwegii. Był to pierwszy w historii złoty medal dla Włoch w tej konkurencji. Kolejne dwa medale zdobył na rozgrywanych dwa lata później mistrzostwach świata w Seefeld. W parze z Francesco De Fabianim był trzeci w sprincie drużynowym, a indywidualnie zajął drugie miejsce, przegrywając tylko z Klæbo. Razem z De Fabianim był następnie drugi w sprincie drużynowym podczas mistrzostw świata w Planicy w 2023. Ponadto wywalczył srebro w sprincie techniką dowolną na mistrzostwach świata w Trondheim dwa lata później, rozdzielając Klæbo i Lauriego Vuorinena z Finlandii.