Paulino spielte zunächst Handball, bevor sie zur Leichtathletik wechselte.[1]
Erste internationale Erfahrungen sammelte Marileidy Paulino 2016 bei den Ibero-Amerikanischen Meisterschaften in Rio de Janeiro, bei denen sie mit der dominikanischen 4-mal-100-Meter-Staffel in 44,56 s den fünften Platz belegte. Anschließend nahm sie im 100-Meter-Lauf an den U23-NACAC-Meisterschaften in San Salvador teil und belegte dort in 11,98 s Rang fünf, während sie über 200 Meter mit 24,00 s auf den sechsten Platz gelangte. Im Jahr darauf erreichte sie bei der Sommer-Universiade in Taipeh das Halbfinale im 200-Meter-Lauf, in welchem sie mit 23,95 s ausschied. Zudem wurde sie mit der Staffel im Vorlauf disqualifiziert. 2018 erreichte sie bei den Zentralamerika- und Karibikspielen (CAC) in Barranquilla über 100 und 200 Meter in 11,33 s bzw. 23,04 s jeweils den vierten Platz und gewann mit der Staffel in 43,68 s die Bronzemedaille hinter den Mannschaften aus Jamaika und Trinidad und Tobago. 2019 schied sie bei den Panamerikanischen Spielen in Lima mit 11,84 s über 100 Meter in der ersten Runde aus und wurde über 200 Meter in 23,29 s Siebte. Zudem qualifizierte sie sich über 200 Meter für die Weltmeisterschaften in Doha und erreichte dort das Halbfinale, in dem sie mit 23,03 s ausschied. Ende Oktober gelangte sie bei den Militärweltspielen in Wuhan bis in das Finale und gewann dort in 23,18 s die Silbermedaille hinter der Slowenin Maja Mihalinec. Bei den World Athletics Relays 2021 im polnischen Chorzów wurde sie in 3:17,58 min Dritte in der Mixed-Staffel hinter den Teams aus Italien und Brasilien. Zudem stellte sie in Santo Domingo mit 50,31 s einen neuen Landesrekord über 400 Meter auf. Anschließend siegte sie Mitte Mai beim Meeting Jaén Paraíso Interior in 50,25 s sowie in 50,66 s beim Meeting International de Montreuil, ehe sie beim Meeting Iberoamericano in 49,99 s erstmals unter der 50-Sekundenmarke blieb. Bei den Olympischen Spielen in Tokio lief sie zunächst im Semifinale mit 49,38 s Landesrekord, ehe sie im Finale als Zweite den Rekord auf 49,20 s steigerte und damit die Silbermedaille hinter den überlegenen Bahamaerin Shaunae Miller-Uibo gewann.[2] Mit der Mixed-Staffel über 4 × 400 m gewann sie zusammen mit Lidio Féliz, Anabel Medina und Alexander Ogando in 3:10,21 min die Silbermedaille hinter dem polnischen Team. Anschließend siegte sie in 50,40 s bei der Athletissima sowie in 50,12 s beim Meeting de Paris und wurde bei Weltklasse Zürich mit 49,96 s Zweite.
2022 siegte sie in 51,20 s bei der Doha Diamond League und anschließend gewann sie bei den Ibero-Amerikanischen Meisterschaften in La Nucia in 49,49 s die Goldmedaille und siegte in 43,81 s auch mit der dominikanischen 4-mal-100-Meter-Staffel. Daraufhin siegte sie in 50,10 s beim Meeting International Mohammed VI d’Athlétisme de Rabat und erreichte dann bei den Weltmeisterschaften in Eugene das Finale und musste sich dort in 49,60 s erneut nur Shaunae Miller-Uibo von den Bahamas geschlagen geben. Zudem siegte sie in der Mixed-Staffel mit 3:09,82 min im Finale gemeinsam mit Lidio Féliz, Alexander Ogando und Fiordaliza Cofil.[3] Anschließend siegte sie in 49,87 s bei der Athletissima in Lausanne und gewann beim Diamond League Finale bei Weltklasse Zürich in 48,99 s den Titel. Im Jahr darauf siegte sie in 50,51 s bei der Doha Diamond League sowie in 48,98 s beim USATF Los Angeles Grand Prix, womit sie einen neuen Landesrekord aufstellte. Im Juni siegte sie in 49,12 s beim Meeting de Paris und gewann dann bei den Zentralamerika- und Karibikspielen in San Salvador in 49,95 s die Goldmedaille im Einzelbewerb und sicherte sich mit der Staffel in 3:27,84 min die Silbermedaille hinter dem kubanischen Team und gewann in der 4-mal-100-Meter-Staffel in 43,45 s die Bronzemedaille hinter den Teams aus Kuba und Trinidad und Tobago. Im Juli wurde sie beim Memoriał Kamili Skolimowskiej in 50,00 s Dritte und anschließend erreichte sie bei den Weltmeisterschaften in Budapest das Finale und siegte dort überlegen mit neuem Landesrekord von 48,76 s[4]. Anschließend siegte sie in 49,36 s bei der Xiamen Diamond League sowie in 49,58 s beim Prefontaine Classic und sicherte sich damit den Gesamtsieg in der Diamond League. Ende Oktober siegte sie bei den Panamerikanischen Spielen in Santiago de Chile in 3:16,05 min gemeinsam mit Ezequiel Suárez, Anabel Medina und Robert King in der Mixed-Staffel. Zudem siegte sie in 22,74 s über 200 Meter[5]. Zudem gewann sie mit der 4-mal-100-Meter-Staffel in 44,32 s gemeinsam mit Liranyi Alonso, Martha Méndez und Anabel Medina die Bronzemedaille hinter den Teams aus Kuba und Chile und sicherte sich in 3:34,27 min die Silbermedaille in der 4-mal-400-Meter-Staffel hinter Kuba. 2024 siegte sie in 50,08 s bei der Xiamen Diamond League sowie in 50,89 s auch bei der Diamond League Shanghai. Im Mai wurde sie bei den World Athletics Relays auf den Bahamas in 3:16,68 min Fünfte in der Mixed-Staffel und sicherte dem Team damit einen Startplatz bei den Olympischen Spielen in Paris. Anschließend siegte sie in 50,27 s beim USATF Los Angeles Grand Prix sowie in 49,30 s bei den Bislett Games und in 49,20 s beim Meeting de Paris. Im August lief sie bei den Olympischen Sommerspielen in Paris im Finale 48,17 s und stellte damit einen neuen Olympischen Rekord sowie Nordamerikarekord auf und sicherte sich damit die Goldmedaille.[6] Anschließend siegte sie in 48,66 s beim Memoriał Kamili Skolimowskiej sowie in 49,45 s beim Memorial Van Damme.
2019 wurde Paulino dominikanische Meisterin im 100-Meter-Lauf sowie 2022 und 2023 über 200 Meter.
Persönliche Bestzeiten
100 Meter: 11,38 s (+0,4 m/s), 19. Februar 2023 in Bogotá
60 Meter (Halle): 7,45 s, 3. Februar 2018 in Staten Island (dominikanischer Rekord)
200 Meter: 22,36 s (+1,0 m/s), 25. Juni 2022 in Santo Domingo (dominikanischer Rekord)
200 Meter (Halle): 23,82 s, 3. Februar 2018 in Staten Island (dominikanischer Rekord)
300 Meter: 35,16 s, 17. März 2023 in Carolina (nationale Bestleistung)
400 Meter: 48,17 s, 9. August 2024 in Paris (Nordamerikarekord)