Paolo Barilla commence sa carrière en karting italien, dont il remporte le titre en 1976. Il va ensuite passer une longue période en F3 avec trois victoires à la clé. En 1982, il passe en F2 avec Alessandro Nannini comme coéquipier. Celui-ci est un prometteur espoir transalpin et éclipse totalement Paolo qui termine la saison sans le moindre point.

En 1983, Paolo décide de se tourner vers le Championnat du Monde d'Endurance où il accumule les bons résultats avec Lancia puis Porsche. En 1985, il se paye même le luxe de remporter les 24 Heures du Mans avec le Team Joest.

Malgré quelques tentatives aux USA en IMSA, Paolo veut faire de la monoplace. C'est donc logiquement qu'il se tourne vers la F3000 de 1986 à 1988. Mais pendant ces trois saisons, il ne parvient jamais à exprimer son potentiel. Tout juste enlève-t-il la quatrième place à Brands Hatch en 1988. Cette même année, il décide de revenir ponctuellement vers l'endurance, y signant une fois de plus de très bons résultats dont une deuxième place aux 12 Heures de Sebring.

En 1989, il décide de partir au Japon, jonglant entre Endurance et F3000. Alors que ses résultats en monoplace sont toujours aussi peu convaincants (malgré de bons résultats sur le circuit de Suzuka : une pole et une deuxième place), il brille une fois de plus en Endurance alignant trois victoires.

Dans le même temps, Paolo a l'opportunité de débuter en F1 chez Minardi. En effet lorsque, Pierluigi Martini, le pilote vedette de la Scuderia de Faenza se blesse et déclare forfait pour le Grand Prix du Japon, Minardi se tourne vers Paolo qui maîtrise parfaitement ce circuit. Il y obtient une convaincante dix-neuvième place aux essais mais son embrayage casse dès le départ. Encouragé par cette expérience, Paolo fait le forcing durant l'intersaison pour obtenir le second baquet chez Minardi pour 1990. Et c'est à grand renfort de dollars et de bons temps en essais d'intersaison que Paolo obtient ce volant.

Le début de saison est relativement satisfaisant, Paolo apprend bien son métier, signant une belle quatorzième place sur la grille à Phoenix (merci Pirelli) puis abandonne à Monaco alors qu'il occupait une prometteuse huitième place. Mais tout se dérègle à partir du Castellet. A ce moment-là, Paolo ne parvient que très rarement à sortir des qualifications, et, démotivé, il préfère jeter les gants avant la tournée australe; Il est remplacé par Gianni Morbidelli.

Après cela, Paolo s'éloigne du sport automobile. Hormis quelques apparitions en tourisme, il ne s'amuse plus sur les circuits et abandonne définitivement la compétition après une seconde place dans une course de F355 au Mugello en 1997.

Paolo est l'héritier du prestigieux groupe alimentaire italien Barilla. Et lorsque celui-ci connaît des difficultés de gestion à la fin des années 1990, Paolo et ses frères accourent au chevet de l'entreprise familiale. Ainsi, depuis 2000, l'ancien vainqueur des 24 Heures du Mans, ex-pilote du Championnat du Monde de F1 est devenu le vice-président du Groupe Barilla.