Ha preso parte a cinque rassegne olimpiche: la prima nel 2004 quando, solo sedicenne, conquistò la medaglia d'argento nei 200 metri stile libero divenendo all'epoca la più giovane atleta italiana a salire su un podio olimpico individuale. Quattro anni dopo, ai Giochi di Pechino, vinse in quella stessa gara la medaglia d'oro regalando all'Italia il primo successo olimpico femminile nella storia del nuoto. Alle Olimpiadi di Tokyo 2020 diventa la prima nuotatrice della storia a partecipare a cinque diverse finali olimpiche di una stessa specialità. Ai mondiali di Melbourne 2007 infranse il primo degli undici record del mondo da lei stabiliti in carriera. Fu campionessa iridata dei 200 m e 400 m stile libero sia nel 2009 sia nel 2011, diventando la prima nuotatrice capace di vincere consecutivamente il titolo in entrambe le distanze in due diverse edizioni della manifestazione. Ai campionati del mondo è anche l'atleta più vincente in una stessa gara grazie ai quattro ori, tre argenti e un bronzo conquistati in otto diverse edizioni: dalla rassegna di Montréal 2005 a quella di Gwangju 2019, infatti, è sempre salita sul podio nei 200 m stile libero.
La rivista Swimming World Magazine la elesse "Nuotatrice dell'anno" nel 2009 e "Nuotatrice europea dell'anno" nel 2009, 2010 e 2011. Per i successi ottenuti ai Giochi olimpici nel 2004 e nel 2008 venne insignita dei titoli di Ufficiale e successivamente di Commendatore dell'Ordine al merito della Repubblica italiana. Nel 2021 è nominata Grande Ufficiale del medesimo Ordine.
Biografia
Nata il 5 agosto 1988 a Mirano da Roberto, barman presso un grande albergo, e Cinzia Lionello, figlia del campione italiano di lotta greco-romana Gastone Lionello e grande appassionata di nuoto, ma cresciuta a Spinea; ha un fratello, Alessandro, nato nel 1990.
Fu la madre ad avviarla al nuoto nel 1995, quando, al termine dei corsi di acquaticità per bambini, la iscrisse ai primi corsi avanzati nella piscina della società Serenissima, situata alla Gazzera. Già all'età di 6 anni disputò con successo le prime gare e si affidò alla guida tecnica di Massimiliano Di Mito, che la seguì sino al 2006. Nel 2002, a soli 14 anni di età, partecipò per la prima volta ai campionati italiani assoluti, dove vinse una medaglia di bronzo. Esordì in nazionale maggiore nel 2004.
Nel 2007 passò sotto la guida dell'allora commissario tecnico della nazionale Alberto Castagnetti, e si trasferì al centro federale di Verona. I due collaborarono sino alla morte di quest'ultimo, avvenuta il 12 ottobre del 2009. Da quel momento si susseguirono cinque cambiamenti tecnici, che videro avvicendarsi, nell'ordine, Stefano Morini, Philippe Lucas, Claudio Rossetto, di nuovo Philippe Lucas, e infine Matteo Giunta.
È stata fidanzata tra il 2008 e il 2011 con Luca Marin e dal 2011 al 2017 con Filippo Magnini, entrambi nuotatori. Il 27 agosto 2022, dopo tre anni di relazione, si è sposata a Venezia col suo allenatore, Matteo Giunta, con cui ha avuto due figlie, Matilde, nata il 3 gennaio 2024, e Rachele, nata il 2 aprile 2026.
Carriera 2001-2003: gli esordi Nel 2002 Federica si mise in luce a livello nazionale agli italiani di Gubbio, quando per la prima volta salì sul podio con un terzo posto nei 200 m stile libero in 2'03"82 alle spalle di Cecilia Vianini e Sara Goffi. L'anno dopo si affermò come stileliberista italiana emergente per gli ottimi risultati conseguiti ai Nazionali primaverili in cui andò a medaglia in tutte le distanze affrontate (1º posto nei 50, 3º nei 100 e 2º nei 200 m). I piazzamenti conseguiti le valsero la prima convocazione in nazionale assoluta come staffettista. Diede il proprio contributo alla 4x100 stile libero ai mondiali di Barcellona, nuotando nelle fasi eliminatorie in 55"60. In stagione fece esperienza anche con la nazionale giovanile agli europei di Glasgow vincendo l'argento nei 100 stile libero in 56"24 e nella 4x100 mista. Alla fine dell'anno ancora riscontri positivi agli invernali in vasca corta: seconda nei 50 stile libero dietro a Cristina Chiuso in 25"10 e prima sia nei 100 m sia nei 200 con i nuovi primati italiani di 53"89 e 1'56"74.
Atene 2004, la prima partecipazione ai Giochi olimpici
Partecipazione per Olimpiade di Atene Argento
Nel 2004 Pellegrini si affermò come la più forte stileliberista nazionale, vincendo quindici titoli italiani tra gare individuali e staffette. Nell'edizione primaverile ed estiva dei Campionati italiani gareggiò in tutte le distanze del crawl, dai 50 ai 400 m, migliorandone i primati. Abbassò il limite nei 200 m a 1'58"59, dal precedente 1'59"23, confermando la crescita e la possibile competitività a livello internazionale. Per questo motivo la Federazione la convocò ai Giochi olimpici di Atene.
Esordì nella piscina della capitale greca per la sua prima esperienza a cinque cerchi: archiviati i 100 stile, nei quali non andò oltre le semifinali, nuotò i 200 m. Di questi ultimi vinse la semifinale con il miglior crono di ingresso e nuovo primato nazionale di 1'58"02. In finale non riuscì a ripetere il tempo e si classificò seconda in 1'58"22. A causa della sua inesperienza, infatti, non vide il recupero operato nella corsia laterale dalla romena Camelia Potec, e sfumò così l'oro per soli 19 centesimi. Tuttavia il successo rappresentò la sua piena affermazione, il ritorno di una nuotatrice italiana sul podio dopo 32 anni dall'exploit di Novella Calligaris e, a soli 16 anni e 12 giorni, fece di Federica la più giovane atleta italiana a salire su un podio olimpico individuale.
Per i risultati conseguiti venne insignita dell'onorificenza di Ufficiale per iniziativa del Presidente della Repubblica Italiana.
Campionati mondiali di Montréal 2005
Partecipazione per Mondiali di Montréal Argento Europei in vasca corta 2005 Oro Bronzo
Nelle tre edizioni dei Campionati italiani svoltesi quell'anno, Federica conquistò dodici titoli nazionali ottenendo le vittorie più significative ai primaverili quando si confermò nei 100, 200 e 400 m stile libero. Nella distanza intermedia registrò il miglior tempo mondiale stagionale e nuovo record italiano della distanza in 1'57"92. Anche nelle otto vasche migliorò il primato nazionale in 4'10"38, strappandolo a Tanya Vannini che lo aveva stabilito nel lontano 1987. I progressi la presentarono ai mondiali di Montréal come la favorita al titolo nei 200 stile libero, ma in finale non riuscì a ripetere il proprio migliore che fu peggiorato di quasi un secondo, relegandola alla seconda piazza in 1'58"73 a soli 13 centesimi dall'oro di Solenne Figuès.
In novembre gareggiò ai campionati italiani in vasca corta di Trieste dove stabilì il nuovo primato italiano negli amati 200 stile in 1'56"15, qualificandosi così per gli europei che si sarebbero tenuti poco dopo nella stessa città. Proprio durante la rassegna continentale vinse la sua prima medaglia d'oro internazionale nei 200 m stile a pari merito con la svedese Josefin Lillhage in 1'55"54 e andò a medaglia anche nei 400, terza in 4'02"81.
2006: i problemi fisici, il primo cambio tecnico e i miglioramenti in vasca corta Partecipazione per Europei corta di Heksinki 2006 Argento 3'59"96Mondiali corta di Shanghai 2006 Argento Bronzo 4'03"63 La stagione internazionale iniziò con i mondiali in corta di Shanghai, dove Federica pur non riuscendo a conquistare alcuna medaglia d'oro, migliorò il suo personale nei 200 m conquistando la medaglia d'argento e un'altra medaglia di bronzo nei 400 m.
Il 2006 in vasca lunga tuttavia fu un anno privo di successi internazionali in cui Pellegrini lamentò dei problemi fisici e acconsentì a un cambio tecnico. Agli europei di Budapest, infatti, non partecipò ai 100 m stile libero e si ritirò nei 200 m poiché consapevole del proprio stato di forma precario causato da un problema alla spalla.
Poco dopo seguì il cambio d'allenatore che la portò da Massimiliano Di Mito ad Alberto Castagnetti sotto la cui guida Pellegrini ottenne un netto miglioramento dei tempi in vasca corta. Nei 400 m migliorò di circa 4 secondi il suo precedente personale agli europei di Helsinki dove conquistò la medaglia d'argento e i primati italiani nelle staffette, ma anche un deludente quinto posto nella finale dei 200 m.
2007: il primo record del mondo ai Campionati mondiali di Melbourne
Partecipazione per Mondiali di Melbourne 2007BronzoEuropei corta di Debrecen 2007 Argento In vasca lunga Federica si riscattò l'anno seguente in marzo ai mondiali di Melbourne in cui disputò sia i 200 sia i 400 m. Nelle otto vasche migliorò il primato nazionale, concludendo la finale con un 5º posto in 4'05"79. Due giorni più tardi, invece, stabilì a sorpresa il suo primo record mondiale nella semifinale dei 200 m, 1'56"47, migliore del precedente di Franziska van Almsick risalente al 2002. Solo 24 ore più tardi, però, la rivale Laure Manaudou lo ritoccò nella finale in cui Federica arrivò 3ª in 1'56"97.
Per quel che riguarda la stagione in vasca corta invece, che si concluse con la rassegna europea di Debrecen, Federica conquistò gli stessi identici risultati dell'europeo in corta della stagione precedente ottenendo un argento nei 400 m ed un nuovo deludente quinto posto nei 200 m.
Universiadi di Bangkok 2007 Partecipazione per Universiadi di Bangkok Oro Oro Argento Bronzo
Dal 9 al 14 agosto prese parte alle Universiadi di Bangkok durante le quali vinse due medaglie d'oro e la sua prima doppietta 200 – 400 m stile libero a livello internazionale. Nei 200 m vinse l'oro in 1'57"67 davanti alla slovena Sara Isaković, mentre nei 400 m conquistò il gradino più alto del podio in 4'06"11 davanti alla francese Coralie Balmy. Vinse, per la prima volta, anche una medaglia internazionale negli 800 m, vincendo l'argento in 8'34"97 dietro la svizzera Flavia Rigamonti. La quarta medaglia arrivò nella staffetta dalla 4x200 m, la quale arrivò al terzo posto in 8'01"11 e alla quale contribuì con una frazione da 1'57"32.
Campionati europei di Eindhoven 2008
Partecipazione per Europei di Eindhoven Oro Argento Bronzo
In quell'anno la consueta rassegna continentale in vasca lunga venne anticipata a marzo per consentire agli atleti di riposarsi in vista dei Giochi olimpici estivi. Federica si presentò ai blocchi di partenza per due gare individuali, i 200 e 400 m stile libero. Nella prima distanza venne squalificata in semifinale per decisione del giudice spagnolo Alfonso Wucherfanning (presente anche nel caso di Loris Facci) che riscontrò una presunta partenza anticipata. Vani furono i ricorsi della delegazione italiana, che rivendicava invece una partenza regolare con un tempo di reazione di 0"70 provato anche dall'Omega cronometrista ufficiale dei campionati. Federica dichiarò il proprio disappunto soprattutto per via del mancato riesame da parte del giudice. Due giorni più tardi fece suoi i 400 m vinti con il primo primato del mondo in 4'01"53, un tempo di 0"90 inferiore al record realizzato da Laure Manaudou in 4'02"13. Con tre medaglie conquistate, tra le quali un bronzo nella 4x200 e un argento nella 4x100 stile libero, entrambe le volte con il nuovo primato nazionale, concluse la propria esperienza e si presentò alle Olimpiadi come la favorita per l'oro olimpico.
Olimpiadi di Pechino 2008
Partecipazione per Olimpiade di Pechino Oro Europei in vasca corta 2008 Oro Bronzo