Pellegrini đã thi đấu cho đội trẻ tuyển Ý trong nhiều năm. Anh xuất hiện lần đầu khi U19 Ý gặp U19 Đức vào tháng 5 năm 2014. Anh sau đó đã có một khoảng thời gian ngắn với U20 Ý vào năm 2015 trước khi lên đội U21 trong trận gặp Pháp vào ngày 2 tháng 6 năm 2015.

Pellegrini đã xuất hiện lần đầu tiên trong đội hình của đội tuyển quốc gia Ý trong chiến thắng 8-0 trước San Marino tại một trận giao hữu không chính thức vào ngày 31 tháng 5 năm 2017, khi anh thay sân thay thế Daniele Baselli.