El 6 de mayo de 2024, Paolini alcanzó su mejor clasificación individual la cual fue la número 7 del mundo. El 10 de junio de 2024, alcanzó el puesto número 14 en el ranking de dobles. Ha ganado dos títulos en individual y cuatro en dobles en la WTA. Además nueve títulos individuales y un título de dobles de la ITF.[1]
Paolini recibió un wildcard para el cuadro principal en el Internazionali BNL d'Italia 2015 en el evento de dobles asociada con Nastassja Burnett.
En junio de 2024, al llegar a su primera final de Grand Slam en el Torneo de Roland Garros 2024 se convirtió en la tercera italiana en llegar a la final de este torneo después de que lo hicieran Francesca Schiavone dos veces y Sara Errani en una ocasión.
En julio de 2024, tras ganarle a Emma Navarro en los cuartos de final en el Campeonato de Wimbledon 2024 se convirtió en la primera jugadora italina en llegar a semifinales en Wimbledon. Sin embargo no quedaria allí, le ganaría a Donna Vekić en semefinales en 3 sets y así obtener un nuevo récord en su carrera en ser la primera tenista italiana en llegar a dos finales de Grand Slam en dos superficie distinta siendo la última en hacer esto Serena Williams en 2016.
En los Juegos Olímpicos de Verano de 2024, siendo cuarta cabeza de serie en individual fue derrotada en la tercera ronda por la número 67 del mundo, Anna Schmiedlová. En dobles siendo tercera cabeza de serie, junto a Sara Errani ganaron la medalla de oro, derrotando a Mirra Andreeva y Diana Shnaider en la final.