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|style="padding-left: 3px; padding-right: 3px;"| {{TA|1'38"12}}
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Dopo la scelta della sua nuova guida tecnica avvenuta in gennaio, esordisce ai [[Campionati italiani primaverili di nuoto 2011|primaverili di Riccione]]. D'accordo con il suo allenatore preferisce dare più importanza alle gare individuali per testare la sua risposta ai nuovi allenamenti, anche se vince il titolo nella staffetta mista e vince il bronzo nella staffetta veloce. Scende in acqua in tutte le distanze dello stile libero, dai 100 agli 800 m stile libero, vincendo in tutte le gare. Chiude i 100 m stile libero in 54"98, la doppia distanza in 1'56"98 e i 400 m stie libero in 4'03"49. Porta a termine anche gli 800 m stile libero in 8'31"08, nonostante abbia avuto un momennto di esitazione alla partenza.<ref>[{{cita web|url=http://www.dbresults.net/sitofin/risultati/nu/2011/riccione1304201101/indexframe.htm|sito=dbresults.net|titolo="Campionati NUOTOItaliani Assoluti Primaverili Riccione, 13-17 Federazioneaprile Italiana2011"|accesso=02 Nuoto]ottobre 2014}}</ref> <ref>[{{cita web|url=http://www.notiziariosportivo.it/2011/04/17/nuoto-assoluti-primaverili-pellegrini-vince-gli-800-sl/ |titolo="Nuoto, Assoluti primaverili: Pellegrini vince gli 800 sl - NotiziarioSportivo.it "|accesso=01 ottobre NotiziarioSportivo.it | NotiziarioSportivo.com | Notizie di calcio, basket, tennis e tutto lo sport del mondo in tempo reale]2014}}</ref> <br />
Durante la fase finale della "Coppa Caduti di Brema", svoltasi ad Ostia nel mese di marzo, stabilisce il nuovo primato italiano in vasca corta nei 400 m stile libero fermando il cronometro a 3'57"59.<ref>[{{cita web|url=http://www.corrieredellosport.it/altri_sport/nuoto/2011/03/06-159263/Pellegrini,+record+italiano+nei+400+stile+libero+ |sito=corrieredellosport.it|titolo="Pellegrini, 400 da record italiano
e neiscudetto 400all'Aniene"|accesso=29 stilesettembre libero]2014}}</ref> Nel mese di agosto disputa i 200 e i 400 m stile libero al "Trofeo Settecolli" di Roma, vincendo in entrambe le distanze in 1'56"85 e 4'04"67.<ref>[{{cita web|url=http://www.swimrankings.net/index.php?page=meetDetail&meetId=555047&clubId=230|sito=swimrankings.net|titolo="48. SwimTrofeo RankingsSette Colli - byInternazionali GeoLogixD'italia Vasca AG,lunga (50m)
Rome (ITA)"|accesso=29 settembre Switzerland]2014}}</ref> Nello stesso mese partecipa anche alla Finale di Campionato a squadre - Serie A e al meeting "Aspria Swimming Cup" di Milano. <br />
Nel mese di luglio, dopo vari meeting di avvicinamento, fa il suo esordio ai mondiali cinesi a Shanghai. Il 24 luglio, prima giornata di gare, vince le batterie dei 400 m stile libero in 4'04"76 davanti a [[Camille Muffat]] e [[Lauren Boyle]]. Nella serata dello stesso giorno si conferma campionessa del mondo, vincendo la gara davanti a [[Rebecca Adlington]] e [[Camille Muffat]] con il tempo di 4'01"97<ref>[{{cita web|url=http://www.corriere.it/sport/11_luglio_24/pellegrini-vince-oro_68f4e8dc-b5e5-11e0-b43a-390fb6586130.shtml |sito=corriere.it|titolo="Federica Pellegrini è ancora d'oro Straordinario mondiale nei 400 sl"|accesso=29 - Corriere dellasettembre Sera]2014}}</ref>, la quinta prestazione mondiale di sempre. Imposta la gara su un ritmo tranquillo, inizia l'accelerazione ai 250 m per poi proseguire la sua progressione fino al termine della gara, arrivando prima con più di due secondi di vantaggio sulle avversarie. (parziali per vasca: 29.01, 30.76, 31.24, 31.29, 30.41, 29.89, 30.09, 29.28). <br />
Nei giorni successivi entra in acqua per disputare i 200 m stile libero. Termina al secondo posto complessivo nelle batterie e nelle semifinali dietro a [[Allison Schmitt]] nelle prime e a [[Femke Heemskerk]] nelle seconde. Nella finale si è ripetuta, aggiudicandosi l'oro davanti a [[Kylie Palmer]] e [[Camille Muffat]]<ref>[{{cita web|url=http://www.sport.it/altri-sport/nuoto-mondiali-di-shangai-federica-pellegrini-vince-l-oro-nei-200-sl/ Nuoto, Mondiali di Shangai: Federica Pellegrini vince l'oro nei 200 sl - |sito=sport.it|titolo="Pellegrini nella storia: dopo i 400 vince anche i 200 sl nei Mondiali di nuoto "|accesso=03 Sport.it]ottobre 2014}}</ref>, facendo segnare un crono di 1'55"58 grazie a una rimonta nelle ultime due vasche (parziali per vasca: 27.62, 29.42, 29.14, 29.40). È la prima atleta nella storia a conquistare il titolo nelle due specialità in due edizioni iridate diverse e consecutive dei campionati mondiali. Infine, terminate le gare individuali, partecipa anche alle batterie della 4x100 m mista e 4x200 m stile. L'11 agosto, pochi giorni dopo la fine dei mondiali, ha cambiato di nuovo l'allenatore<ref>[{{cita web|url=http://www.gazzetta.it/Sport_Vari/Altri_Sport/Nuoto/11-08-2011/fedefede-londra-2012-802409627289.shtml|sito=gazzetta.it|titolo="Fede&Fede FedeFedea Londra -2012 La GazzettaPellegrini sceglie Bonifacenti"|accesso=30 dellosettembre Sport]2014}}</ref>, ufficializzando l'accordo con Federico Bonifacenti (già suo vice allenatore durante il periodo trascorso con Castagnetti). Durante i campionati di Shanghai fa parlare di sé anche per le sue vicende personali: in quel periodo infatti, finisce la relazione con il suo fidanzato Luca Marin (dopo 4 anni) e inizia una nuova storia con Filippo Magnini.<ref>[{{cita web|url=http://blog.zapster.it/index.php/luca-marin-parla-della-nuova-relazione-di-federica-pellegrini/ |sito=blog.zapster.it|titolo="Luca Marin parla della nuova relazione di Federica Pellegrini "|accesso=29 Zapstersettembre Blog]2014}}</ref> I due atleti erano stati anche compagni di squadra, anche per questo Marin rilascerà dichiarazioni molto critiche sia su Federica che sul vecchio compagno di squadra, dicendosi deluso dal loro comportamento. <br />
Dopo i successi ottenuti in Cina ai [[Campionati mondiali di nuoto 2011|Mondiali di Shanghai]], gareggia agli [[Campionati italiani estivi di nuoto 2011|assoluti di Ostia]] nei 400 m stile libero che vince in 4'00"54. Gradino più alto del podio anche nella staffetta 4x50 m stile libero, vinta con il nuovo record italiano di società.Nel mese di novembre alcune manifestazioni come il Meeting di Viareggio e di Lamezia Terme la vedono protagonista in preparazione ai [[Campionati europei di nuoto in vasca corta 2011|Campionati europei in vasca corta di Stettino]].<ref>[{{cita web|url=http://www.dbresults.net/sitofin/risultati/nu/2011/roma0408201101/indexframe.htm|sito=dbresults.net|titolo="Campionati NUOTOItaliani -Assoluti FederazioneEstivi"|accesso=30 Italianasettembre Nuoto]2014}}</ref> <br />
Termina l'anno agli [[Campionati europei di nuoto in vasca corta 2011|Europei]]. In questa occasione partecipa solo alla staffetta 4x50 m stile libero arrivando terza alle spalle di Germania e Danimarca.<ref>[http://qn.quotidiano.net/sport/nuoto/2011/12/09/634660-europei_vasca_corta_scozzoli_bronzo_rana.shtml Europei vasca corta, Pellegrini bronzo nella 4x50 sl - Quotidiano Net - Sport]</ref> Nei 400 m stile libero accede alle finali con il quinto tempo, ma non riesce a salire sul podio terminando al quarto posto finale.<ref>[{{cita web|url=http://wwwqn.sportlivequotidiano.itnet/altri-sport/pellegrini-europei-nuoto/2011/12/09/634660-vasca-corta-stettino-2011europei_vasca_corta_scozzoli_bronzo_rana.html shtml|sito=qn.quotidiano.net|titolo="Europei nuoto vasca corta 2011: Delusione, Pellegrini |bronzo Sportlive.itnella -4x50 Sport,sl"|accesso=01 News, risultati,ottobre classifiche]2014}}</ref>
La stagione invernale si conclude con la sua presenza alla finale della "Coppa Caduti di Brema" e ai [[Campionati italiani invernali di nuoto 2011|Campionati invernali di Riccione]]. Vince quattro titoli italiani nei 200 e 400 m stile e nelle staffette 4x100 m mista e stile.<ref>[{{cita web|url=http://www.dbresultssportlive.netit/sitof/risultati/nualtri-sport/pellegrini-europei-nuoto-vasca-corta-stettino-2011/riccione1612201101/indexframe.htmhtml|sito=sportlive.net|titolo="Europei NUOTOnuoto -vasca corta 2011: Delusione FederazionePellegrini"|accesso=29 Italianasettembre Nuoto]2014}}</ref>
===2012: L'europeo e la delusione olimpica===
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