Pellegrini, som fyller 29 år i augusti, dominerade distansen för runt tio år sedan, vann OS-guld 2008 och VM-guld 2009 och 2011. Hon har fortfarande världsrekordet från 2009.
Italienskan har fortsatt slåss i toppen, tog sin sjunde VM-medalj på sträckan, men det såg ut som hon hade sina glansdagar bakom sig. Med 50 meter kvar låg hon bara på fjärde plats – hennes slutplacering i OS i Rio i fjol – men drog i väg som en raket sista 25 meterna.
- Det är en fantastisk medalj. Vid sista vändningen såg jag att jag låg fyra och visste inte var jag skulle kunna hitta energi, sade italienskan som vann på 1.54,73.
Första nederlaget
Hon förbereder nu att sätta sin slutpunkt för karriären och avslutningen blev den perfekta i det sista individuella 200-metersloppet.
Katie Ledecky, USA, och Emma McKeon, Australien, delade på silvret, 45 hundradelar bakom.
Det är första gången genom tiderna Ledecky förlorar en final på VM. I tisdags blev amerikanskan historisk när hon vann sitt tolfte guld genom tiderna, flest av en kvinna i VM-sammanhang. Ledecky har hittills vunnit tre guld i Budapest och kan som mest vinna fem.
Hemmastjärnan Katinka Hosszu gjorde en blek insats och slutade sjua.
Missade medalj
Norske 800-metersstjärnan Henrik Christiansen, som sparrat med svenske talangen Victor Johansson inför mästerskapet, jagade sin första VM-medalj. Trots att han besegrade kinesen Sun Yang, VM-guld 2013 och 2015, räckte det bara till fjärde plats.
Med nya norska rekordtiden 7.44,21 saknades knappt två sekunder till bronset. Gabriele Detti, Italien, vann på 7.40,77.
Brittiske bröstsimsstjärnan Adam Peaty, som slog världsrekord både i försök och semifinal, tog enkelt hem segern på 50 meter bröstsim, hans andra VM-guld i Budapest. Segertiden 25,99 var fyra hundradelar över hans senaste rekordtid.
USA vann mixedlagkappen 4x100 meter medley och satte, precis som i försöken, världsrekord. Det nya rekordet lyder 3.38,56.