La relación con la corte de Urbino también se cultivó en los años siguientes, pero nunca en una forma orgánica. Se ha sugerido que también fue maestro di cappella y organista de la catedral, pero mientras la primera teoría podría ser confirmada por dos pagos de 5 a 6 escudos a un 'ms Vincenzo m.ro di capella' en 1582, no hay documentación para apoyar la segunda. El 23 de abril de 1603 viajó a Roma con la delegación que representaba a la curia de Pesaro. El mismo año fue elegido vicario capitular, sosteniendo el cargo hasta el 25 de febrero de 1604. Durante su tiempo en Pesaro tuvo numerosos alumnos, incluyendo a Galeazzo Sabbatini, más tarde organista de la catedral, compositor y teórico de fama.

La actividad compositiva, ejercida en el 'tiempo que el servicio le dejaba libre' ("Canzoni", 1599, dedicatoria), sigue siendo vista en "Missarum Liber Primus" (cinco misas para 4 voces y tres para cinco voces) publicado en Venecia en 1603-1604 y dedicado a Clemente VIII. Por recomendación del cardenal Federico Borromeo, con quien se reunió en Pesaro en diciembre de 1610, y con la intercesión del cardenal Bonifacio Caetani, delegado de la Romagna, Pellegrini fue nombrado maestro di cappella de la catedral de Milán el 19 de octubre de 1611, con el mismo salario de su predecesor Giulio Cesare Gabussi (375 libras trimestrales), pero realmente asumió su cargo el 26 de febrero de 1612.

Al cardenal Borromeo dedicó el músico el año siguiente el "Magnificat decem liber primus con due litanie mariane, a 5, 8, 9 voci", publicado en Venecia. Cinco de sus composiciones aparecieron en el "Parnassus musicus Ferdinandæus" (Venecia, 1615), colección editada por Giovanni Battista Bonometti, ex cantante en la Metropolitana de Milán, que pasó en 1613 a la corte de Graz. Desde fines de 1615 Pellegrini se dedicó, por encargo de la Veneranda Fabbrica del Duomo, a la que fue su obra más representativa, que es la edición de "Pontificalia Ambrosianae Ecclesiae ad Vesperas musicali concentui accomodata", también dedicada al cardenal Borromeo y publicada en 1619 en forma de gran prestigio por el tipógrafo y compositor milanés Giorgio Rolla.

Los cuatro preciosos volúmenes, distribuidos en las dos partes del año litúrgico (invernal y estival), contienen 84 composiciones de Pellegrini, 25 de su predecesor Gabussi  y otras de diferentes maestros en parte relacionados con las actividades musicales de la catedral. El contenido de "Pontificalia", referente a 41 festividades (parte de precepto, otra relativa a  las mayores de la Catedral), codificó por primera vez el repertorio polifónico Ambrosiano como paradigma de la música de la catedral de Milán. Sus conexiones con la familia Rovere continuaron: cartas autógrafas al secretario del duque, abad Giulio Brunetti, sobreviven; los motetes del "Sacri concentus" (1619) los dedicó a Francesco Maria II della Rovere. En el mismo año 1619 apareció el "Sacri concentus a 1-6 voci" dedicados a Francesco Maria II della Rovere, publicados por cuenta del autor donde Giacomo Vincenti en Venecia: contiene motetes en estilo concertato y a capella (algunos aparecidos ya en 1615 en el "Parnassus" y en una colección de 1617 a cargo del vicemaestro del Duomo de Milán, Francesco Lucino) y como cierre la misa "Ecce sacerdos magnus, senis vocibus pro cappella, una cum parte organica", composición de intensa trama contrapuntística, en la que Pellegrini vuelve a trabajar el estilo concertante de la policoralidad veneciana, según la modalidad ya experimentada en el entorno de Ignazio Donati. Todavía en 1619 Rolla publicó los cuatro volúmenes de "Hymni, posthymni et lucernaria in solemnitatibus totius anni secundum sanctae Ambrosianae Ecclesiae consuetudinem", uno de los libros de música más laboriosos del siglo XVII italiano, con tesitura a 4-5 voces (y un Magnificat a 8). Una vez más, figuran allí composiciones de su predecesor, Gabussi; y bajo ambos nombres aparecieron en Milán en 1623 las "Litaniae Ambrosianae et Romanae a 8 e a 4 voci" (figura allí algun otro músico de Milán; ni Pellegrini falta en la colectiva milanesa "Flores praestantissimorum virorum" de Filippo Lomazzo de 1626).

Tales actividades visibles, para las que Pellegrini ha aprovechado también composiciones de los años de Pesaro, tuvieron que responder a la voluntad del arzobispo de Milán de refundar, enriquecer y fortalecer el repertorio de la Catedral. Pero hasta cierto punto se trataba de distraer al compositor de la atención del equipo musical: lo que no dejó de suscitar protestas y advertencias. Bajo su dirección la calidad del coro sufrió y Pellegrini fue hecho responsable. Algunos de los cantantes fueron despedidos y desde fines de 1619 circularon rumores acerca de la sustitución del maestro; fricciones, enraizadas en la mal tolerada nominación impuesta por Borromeo al capítulo de Milán, culminaron en 1625 con la amenaza de expulsión, después de una audición del coro -también participaron allí Guglielmo Arnone (organista de la Catedral), Giovanni Paolo Cima y Giulio Cesare Ardemanio ( profesor en Santa Maria della Scala)- y reforzada por la solicitud de interesar al propio Borromeo con el fin de recabar la opinión de Claudio Monteverdi sobre un posible reemplazo. Sin embargo, a excepción de la participación en las festividades de la boda de Federico Ubaldo della Rovere y Claudia de Medici, realizada en Pesaro en mayo de 1621, Pellegrini no se apartó de Milán e incluso en ese año obtuvo el lucrativo puesto de empresario y director de música para el funeral de Felipe III.

Pellegrini se aferró a su puesto, y en noviembre de 1628 pidió un aumento en su estipendio para poder publicar algunas de sus obras para su uso en los servicios religiosos. El 17 de junio de 1630 hizo su testamento, dejando un tercio de su música a un maestro di cappella en Milán, otro tercio a la catedral de Pesaro, y la tercera parte final al convento de San Agostino, Pesaro. Parte de su dinero fue dejado a la catedral de Pesaro para que se pudiera construir una capilla y establecer un patronato, con la obligación de que se dijeran tres misas semanales, y se celebrara la fiesta de San Vincenzo. No hay otra referencia a él en los registros de la catedral después del 2 de agosto y antes de diciembre de 1630, y es probable que muriera de la plaga.
La música sacra de Pellegrini, descrita como austera y conservadora, a menudo se ha relacionado con el estilo de fines del siglo XVI, respetando los dictados del Concilio de Trento. Si bien la mayor parte de su música sacra es en estilo a capella, en sus composiciones más modernas, como los motetes solistas, el uso de ornamentos, ritmo y disonancias con fines expresivos, sugieren la influencia del nuevo estilo 'rappresentativo'. Las obras más exitosas de Pellegrini son sus canzonas instrumentales. Revelan una viva imaginación, claridad y serenidad. La mayoría siguen un esquema tripartito con secciones en dos, luego tres tiempos y luego dos con un tema diferente. Los temas regresan superpuestos o yuxtapuestos con entradas siguiendo rápidamente uno al otro, en una especie de 'stretto' final que es particularmente efectivo. A menudo la idea inicial, fragmentada, transformada y elaborada, es la fuente de toda la pieza: esta característica hace de él una figura única en el contexto de la música en Milán.
Aunque las composiciones de Pellegrini han permanecido mucho tiempo en el repertorio sacro de Pesaro (aunque sólo sea en las adaptaciones de Angelo Gadani, maestro de la catedral entre 1767 y 1789), hay pocas fuentes actualmente presentes en esas instituciones (algunas ediciones y copias manuscritas de las mismas), mientras que un número más sustancial (más de 60) se encuentra en bibliotecas europeas, especialmente en Diözesanbibliothek de Münster (proveniente de la colección del romano Fortunato Santini). Partes de composiciones de Pellegrini son mencionadas en los "Canoni musicali" de Ludovico Zacconi (Pesaro, Biblioteca Oliveriana); pero la suerte del compositor parece estar más vinculada a las canciones instrumentales, entre las obras de órgano "las más artísticas y menos viciadas de su tiempo". El redescubrimiento de Pellegrini se debe a Luigi Torchi (dos canciones de 1599, "La serpentina" y "La capricciosa", figuran en la miscellanea "Arte musicale in Italia", 1899) y a Giovanni Tebaldini, que el 14 de marzo de 1912 en el Panteón de Roma dirigió la "Missa defunctorum” en memoria de Umberto I, del "Missarum liber primus".