Paulo Dybala tvingades lämna återbud under uppvärmningen och istället fick Nemanja Matic chansen från start och Pellegrini flyttades upp ett hack i planen.
Unge Giorgio Scalvini, 18, gav Atalanta ledningen med ett behärskat avslut precis utanför straffområdet i den första halvleken och det blev också matchens enda mål.
Efter tio minuter in i den andra halvleken gick Nicolo Zaniolo omkull i straffområdet efter en duell med Atalantas Okoli och Roma vädjade efter en straffspark, domare Chiffi vinkade dock avvärjande och det fick José Mourinho att tappa det.
Tränaren viftade hejvilt mot domaren och visade sitt tydliga missnöje mot att Roma inte tilldömdes en straff. För det straffades Mourinho med ett rött kort och visades upp på läktaren.
Från läktaren fick Mourinho se sitt Roma gå mållösa i den andra halvleken. Atalanta är därmed ny serieledare i Serie A.
Startelvor:
Roma: Patricio - Celik, Mancini, Smalling, Ibanez, Spinazzola - Cristante, Matic - Pellegrini, Abraham, Zaniolo.
Atalanta: Musso - Hateboer, Toloi, Demiral, Scalvini, Maehle - De Roon, Koopmeiners - Ederson, Höjlund, Pasalic.