Pelayo cuenta con experiencia investigadora desde marzo de 2003, que fue cuando inició su etapa  como investigador predoctoral en el Instituto de Investigación en Recursos Cinegéticos (IREC – CSIC, UCLM, JCCM).

Obtuvo el grado de Doctor por la UCLM en 2006, y desde entonces ha disfrutado 5 contratos postdoctorales a través de convocatorias competitivas, tanto en España como en Portugal (JCCM, Juan de la Cierva, Beatriu Pinós, Increcyt y Fundaçao para Ciencia e Tecnología), que han supuesto una etapa de investigador postdoctoral de 7 años, siempre vinculado la ecología y gestión de fauna silvestres.

Finalmente, en 2014 se reincorporó al IREC con un contrato del programa Ramón y Cajal y en marzo de 2019 ganó una plaza de Científico Titular del CSIC, con la que continuará vinculado al IREC, siendo perteneciente del Grupo de Investigación en Sanidad y Biotecnología (SaBio).

Estudia la ecología espacial de fauna silvestre como base para determinar riesgos de transmisión de patógenos en la interfase entre fauna silvestre y ganado doméstico. Busca determinar los patrones de distribución, abundancia y agregación de fauna silvestre y cómo responden a diferentes acciones de manejo. Usando diferentes metodologías para el seguimiento de individuos, ha generado conocimiento sobre dónde y cuándo ocurren los contactos entre especies domésticas y silvestres en los sistemas ganaderos extensivos del centro y sur de la Península Ibérica. La información obtenida está siendo usada para la elaboración de programas de bioseguridad con los que recomendar medidas de gestión concretas y específicas para cada explotación, con las que reducir el riesgo de contactos intra e interespecíficos.

Es coautor de más de 100 artículos en revistas científicas internacionales, es editor asociado para la revista European Journal of Wildlife Research y ha participado en numerosos congresos científicos, nacionales e internacionales.