Nel corso degli anni la Pellegrini affrontò, seppur con diverso impegno e continuità, tutte le distanze dello [[stile libero]] ad eccezione dei 1500 m. Nacque inizialmente come velocista, e fu proprio nello sprint che conquistò i primi successi. Successivamente si specializzò nella distanza intermedia: i 200 m sl, che diventarono la sua gara preferita. Proprio in questa distanza ha ottenuto i risultati più importanti, diventando una delle più forti duecentiste della storia del nuoto.
Per volontà dell'ex allenatore [[Alberto Castagnetti]] accostò ai 200 m slpreparò anche i 400 m sl. In questa distanza, però, Federica non si è mai sentita a proprio agio come nei 200 m. Nonostante ciò non mancarono risultati di rilievo, culminati con il record del mondo di [[Campionati mondiali di nuoto 2009|Roma 2009]]. InProprio in quell'anno Castagnettiil tecnico espresse il desiderio di ampliare il programma gare per renderla competitiva, in vista delle [[Giochi della XXX Olimpiade|Olimpiadi]] di [[Londra]] [[2012]], in tutte le distanze dello stile libero, dai 100 agli 800 m. Il progetto venne avviato solo in parte a causa dell'improvvisa morte del tecnico. <br/>
I deludenti risultati dell'[[Giochi della XXX Olimpiade|Olimpiade]] di [[Londra]] indussero l'atletala nuotatrice ad abbandonare progressivamente i 400 m sl, che disputòdisputati per l'ultima volta a livello internazionale agli [[Campionati europei di nuoto 2014|Europei]] di [[Berlino]] nel [[2014]]. Da quel momento, finalizzò la preparazione solo in prospettiva 200 m sl, unica gara individuale ai Giochi di [[Giochi della XXXI Olimpiade|Rio 2016]].
Nel [[2013]] si concesse un anno [[Anno sabbatico|sabbatico]] per riflettere su quanto accaduto a Londra. Per non perdere la forma, poi difficilmente recuperabile dopo un anno di pausa, si cimentò in gare alternative sopratutto del [[dorso (nuoto)|dorso]]. In questa specialità ottenne tempi interessanti a livello italianonazionale: nei 200 m in vasca lunga avvicinò il primato nazionale di [[Alessia Filippi]], mancandolo per soli '0"02 contesimi. Nei 100 m segnò la 4ª miglior prestazione italiana all time, e, in vasca corta realizzò il nuovo [[Record italiani del nuoto|record italiano]] nei 200 m in 2'03"75.
