5 agosto 1988, a Mirano, in provincia di Venezia, mamma Cinzia e papà Roberto, festeggiano la nascita di una bimba, Federica, destinata a cambiare la storia del nuoto mondiale.

Il 2004 è stato un grande anno per Pellegrini: ha ottenuto tre piazzamenti tra i primi otto ai Campionati Europei del 2004, nuotando alla sua prima Olimpiade. Alle Olimpiadi di Atene 2004, Pellegrini è arrivata seconda, vincendo una medaglia d'argento a soli 16 anni, rendendola la più giovane atleta italiana della storia a vincere una medaglia individuale ai Giochi Olimpici.

Post Atene 

Ha vinto una medaglia d'argento nei 200 m stile libero ai Campionati del Mondo del 2005, e in seguito ha vinto l'evento ai Campionati Europei. Nel 2006 è arrivata seconda nei 200 stile libero e terza nei 400 stile libero ai Campionati del Mondo.

Campionati Mondiali ed Europei 2007

Ai Campionati Mondiali 2007 Pellegrini è arrivata terza nei 200 stile libero e nello stesso anno ha anche ottenuto un argento nei 400 stile libero agli Europei 2007.

Olimpiadi di Pechino 2008

Agli Europei del 2008 Pellegrini ha vinto l'oro nei 400 stile libero. Si è qualificata di nuovo per le Olimpiadi e ha gareggiato alla sua seconda Olimpiade a Pechino, questa volta vincendo l'oro nei 200 stile libero, e la sua staffetta 800 stile libero ha ottenuto un quarto posto.

Mondiali 2009 – Pellegrini stabilisce nuovi record mondiali

Nel 2009 ha battuto due record mondiali nei 200m e nei 400m stile libero, vincendo la medaglia d'oro ai Campionati del Mondo... infatti ha battuto i record dei 200m stile libero sei volte nel corso della sua carriera.

Campionato del Mondo 2011 – Shanghai 

Ai Campionati del Mondo 2011 di Shanghai Pellegrini ha ottenuto altre due vittorie nei 200 e 400 stile libero.

Olimpiadi di Londra 2012

Nel 2012 ha nuotato alla sua terza Olimpiade, mancando di poco il podio nei suoi due eventi caratteristici, ma quell'anno ha vinto l'oro nei 200 ai Campionati Europei. Il 2013 è stato un po' un riscatto di medaglie, finendo secondo nei 200 stile libero dietro a Missy Franklin.

Mondiali 2013

Pellegrini ha dichiarato all'inizio della stagione che non avrebbe gareggiato ai Mondiali. All'ultimo minuto è entrata e ha vinto l'argento nei 200 stile libero, 1:55.14.

Mondiali 2015

Ai Mondiali 2015 di Kazan Pellegrini è stato uno dei più veloci al mondo nei 200 metri liberi. In uscita dalle eliminatorie Pellegrini è passato dalle semifinali alla finale di campionato al 1° posto. Davanti a big come Missy Franklin e Katie Ledecky, la finale di campionato non sarebbe stata facile. In finale Pellegrini, che è anche il detentore del record mondiale della manifestazione, ha percorso i primi 50 e 100 metri in modo fluido e rilassato. Seduta al 6° posto a metà gara, Pellegrini ha iniziato lentamente a spingere per la seconda metà della gara e ha iniziato a risalire il campo. Ai 150 metri Pellegrini aveva catturato due nuotatori ed era al 4° posto, ma nei suoi ultimi 50 metri ha davvero acceso i jet, e quando il resto del campo ha iniziato a svanire Pellegrini si stava spostando di posizione.

Pellegrini si è unito ad altri tre compagni di squadra italiani per correre la staffetta 4×200 metri libera. Nuotando la gamba di ancoraggio, Pellegrini si è tuffato in acqua al 5° posto dietro a Stati Uniti e Svezia, che erano nettamente in testa. È stata una delle uniche due nuotatrici nell'intero campo a dividersi sotto 1:55 di secondo, ed è stato sufficiente per risalire di tre posizioni e finire 2a dietro agli Stati Uniti

Olimpiadi di Rio 2016

Pellegrini ha chiuso appena fuori dalle medaglie nei 200 liberi con il tempo di 1:55.18. Nella staffetta 4x100 mista Pellegrini, insieme a Ilaria Bianchi, Arianna Castiglioni e Carlotta Zofkova hanno concluso all'8° posto.

Campionati Mondiali FINA in vasca corta 2016

Pellegrini ha vinto i 200 liberi con il tempo di 1:51.73, finendo mezzo secondo davanti alla seconda classificata Katinka Hosszu

Campionati Mondiali FINA 2017

Pellegrini ha vinto la sua gara caratteristica a Budapest il quarto giorno di gara in 1:54.73, superando la statunitense Katie Ledecky e l'australiana Emma McKeon negli ultimi 50 metri. È stata la settima prestazione consecutiva da medaglia iridata per l'italiano in questo evento.

200 divisioni comparative stile libero – I primi 3 finalisti:

Pellegrini – 56.41/58.32 = 1:54.73

Ledecky – 56.09/59.09 = 1:55.18

McKeon – 55.83/59.35 = 1:55.18

Campionati del mondo in vasca corta 2018

Ad Hangzhou, Pellegrini ha ancorato la staffetta 4×100 mista italiana al bronzo, dividendo 52,11 per aiutare a battere il record nazionale italiano nel processo.

Campionati Mondiali FINA 2019

Dopo aver giurato fuori dai 200 liberi dopo aver vinto nel 2017, Pellegrini è infatti tornata nella manifestazione per i Mondiali 2019, e ha difeso il suo oro a 30 anni. Capovolgendo 3° al muro dei 150, Pellegrini è tornato a casa in 28.90 sugli ottavi di finale, superando il 2° posto Ariarne Titmus e il 3° Sarah Sjostrom per sfiorare il 1° posto in 1:54.22.

Alle Olimpiadi di Pechino, la Pellegrini gareggia nella sua quinta olimpiade, un record incredibile, prima di decidere di lasciare il nuoto all'età di 31 anni.