Federica Pellegrini (Mirano (Venetië), 5 augustus 1988) is een Italiaanse zwemster. Ze vertegenwoordigde haar vaderland op de Olympische Zomerspelen 2004 in Athene, de Olympische Zomerspelen 2008 in Peking, de Olympische Zomerspelen 2012 in Londen en de Olympische Zomerspelen 2016 in Rio de Janeiro. Pellegrini is wereldrecordhoudster op de 200 meter vrije slag op de langebaan.
Bij haar internationale debuut, op de wereldkampioenschappen zwemmen 2003 in Barcelona, zwom Pellegrini samen met Cecilia Vianini, Cristina Chiuso en Luisa Striani in de series van de 4x100 meter vrije slag. In de finale werd ze vervangen door Sara Parise, Parise eindigde samen met Vianini, Chiuso en Striani op de achtste plaats. Op de Europese kampioenschappen kortebaanzwemmen 2003 in Dublin strandde de Italiaanse in de halve finales van de 100 meter vrije slag en in de series van de 200 meter vrije slag, samen met Alessandra Cappa, Roberta Crescentini en Elena Gemo eindigde ze als zevende op de 4x50 meter wisselslag.