Roma

Ngày 17 tháng 4 năm 2018, Pellegrini ký hợp đồng chuyên nghiệp đầu tiên với câu lạc bộ A.S. Roma giữ anh ở lại cho đến năm 2021.[3]

Pellegrini gia nhập câu lạc bộ ở Serie A trong mùa giải 2018–19 ở tuổi 19. Anh có trận ra mắt chuyên nghiệp trong chiến thắng 4–0 trước Frosinone ngày 26 tháng 9 năm 2018, thực hiện pha kiến ​​tạo cho Aleksandar Kolarov ghi bàn thắng.[4][5] Anh có trận ra mắt tại UEFA Champions League, trong trận đấu vòng bảng giành chiến thắng 5–0 trước FC Viktoria Plzeň.[cần dẫn nguồn]

Cho mượn Cagliari

Ngày 31 tháng 1 năm 2019, Pellegrini gia nhập câu lạc bộ Cagliari dưới dạng cho mượn cho đến ngày 30 tháng 6 năm 2019.[6]

Juventus

Ngày 30 tháng 6 năm 2019, Luca Pellegrini gia nhập câu lạc bộ đương kim vô địch Serie A Juventus với giá 22 triệu euro, còn Leonardo Spinazzola chuyển sang ngược lại với giá 29,5 triệu euro.[7] Ngày 19 tháng 8 năm 2019, anh gia nhập Cagliari dưới dạng cho mượn trong mùa giải 2019–20.[8] Ngày 26 tháng 9 năm 2020, Pellegrini chuyển đến Genoa dưới dạng cho mượn 1 năm.[9] Anh chuyển đến Eintracht Frankfurt của Đức dưới dạng cho mượn 1 năm vào ngày 12 tháng 8 năm 2022.[10]