I primi Giochi ai quali ha partecipato sono stati quelli di Atene, nel 2004, dove, sedicenne, conquistò la medaglia d’argento nei 200 metri stile libero. A Pechino nel 2008, Federica riuscì a conquistare l’oro nei 200 stile libero, battendo per due volte negli stessi Giochi il record del mondo di categoria. Subito dopo la vittoria rilasciò una dichiarazione a metà tra la soddisfazione e l’amarezza per essere arrivata quinta nell’altra gara alla quale aveva partecipato, i 400 metri: “Dedico questa vittoria a me stessa perché nonostante la delusione nei 400 metri non ho perso la speranza”.
Nel 2009, dopo le splendide vittorie ai campionati mondiali a Roma nei 200 sl e nei 400 sl, il crollo psicologico e conseguentemente sportivo dopo la scomparsa improvvisa di Alberto Castagnetti, l’allenatore che le sapeva tenere testa. Nelle stagioni successive le crisi d’ansia che culminarono con la delusione più grande della sua carriera alle Olimpiadi di Londra 2012. Arrivò quinta sia nei 200 e nei 400 metri e da lì la decisione di fermarsi momentaneamente per poi prendere la decisione di concentrarsi soltanto sui 200 sl per conquistare l’oro della consacrazione.
Il Comitato Olimpico azzurro l’ha scelta come portabandiera per la cerimonia di apertura del Maracanà. Investita del ruolo di ‘capitano’ della delegazione azzurra, la Pellegrini puntava ad una medaglia nei 200 metri stile libero ma è arrivata quarta.
Il suo palmares è ricchissimo. Alle Olimpiadi: 2ª Atene 2004 200 sl, 1ª Pechino 2008 200 sl; ai campionati mondiali: 2ª Montreal 2005 nei 200 sl, 3ª Melbourne 2007 nei 200 sl, 1ª Roma 2009 nei 200 sl, 1ª Roma 2009 nei 400 sl, 1ª Shanghai 2011 nei 200 sl, 1ª Shanghai 2011 nei 400 sl; ai campionati Europei: 1ª Budapest 2007 400 sl, 1ª Eindhoven 2008 nei 400 sl, 2ª Eindhoven 2008 nei 4×100 sl, 3ª Eindhoven 2008 nella staffetta 4×200 sl, 1ª Budapest 2010 nei 200 sl, 1ª Budapest 2010 negli 800 sl, 1ª Berlino 2014 nei 200 sl, 1ª Budapest 2012 nei 200 sl, 1ª Budapest 2012 nella staffetta 4×200 sl, 3ª Budapest 2012 nella staffetta 4×100 sl, 1ª Berlino 2014 nei 200 sl, 1ª Berlino 2014 nella staffetta 4X200 stile libero, 3ª Berlino 2014 nella staffetta 4×100 sl, 1ª Londra 2016 nei 200 sl, 2ª Londra 2016 nella staffetta 4×200 sl, 2ª Londra 2016 nella staffetta 4×100 sl mista, 2ª Londra 2016 nella staffetta mista mista.