Laetizia Paternoster est originaire de Revò dans la région du Trentin-Haut-Adige, elle est initiée au vélo par son père qui est passionné de cyclisme. Elle participe à sa première course à l'âge de 5 ans[1]et se distingue chez les cadettes en remportant la course en ligne au Festival olympique de la jeunesse européenne 2015.
En 2016, elle fait partie du club S.C. Vecchia Fontana de Padoue. Elle survole les championnats d'Europe sur piste juniors en remportant trois épreuves : la course aux points, le scratch et la poursuite par équipes. Dans cette dernière discipline, l'Italie établit un nouveau record du monde[2]. Elle remporte peu après la course aux points du championnat du monde puis la poursuite par équipes[3].
En , lors des championnats d'Europe sur piste juniors, elle réalise une performance historique en remportant cinq médailles d'or dans les cinq disciplines où elle était inscrite. Lors de la qualification de la poursuite individuelle sur 2000 mètres, elle bat également en 2 min 20 s 927 le record du monde junior de la spécialité. Début août, elle remporte deux médailles (argent en contre-la-montre et bronze sur la course en ligne) lors des championnats d'Europe sur route juniors. Fin août, lors des championnats du monde juniors disputés à domicile, l'équipe d'Italie de poursuite par équipes améliore le record du monde par deux fois avec 4 min 23 s 229 lors des qualifications puis 4 min 21 s 554 en finale, remportant le titre[4],[5]. Elle accumule deux autres titres lors de ces championnats en omnium et en course à l'américaine et l'argent en poursuite individuelle (battue par la nouvelle détentrice du record du monde, la Néo-Zélandaise Ellesse Andrews). Sur piste, elle quitte la catégorie junior avec 5 titres mondiaux et 8 titres européens. Aux championnats du monde sur route, elle attaque dans la côte de Salmon Hill à deux tours de l'arrivée. Sa coéquipière Elena Pirrone est ensuite échappée, pourtant Letizia Paternoster lance la première attaque dans la dernière montée de Salmon Hill. Pirrone reste en tête et Paternoster est deuxième du sprint du peloton derrière Emma Norsgaard Jørgensen[6]. Le 1er octobre, sur route, elle termine troisième du Grand Prix Bruno Beghelli, son premier podium international.
Sa première partie de saison 2022 est freinée par une mononucléose[16]. Elle retrouve les podiums durant l'été en remportant la poursuite de la Coupe des nations à Cali, où elle termine également deuxième de la course à l'américaine et de l'élimination. Début août, elle participe aux championnats d'Europe de Munich, où décroche l'argent en poursuite par équipes, mais chute lourdemenent lors de la course à élimination. Souffrant d'un traumatisme crânien avec commotion et d'une fracture de la clavicule, elle est évacuée à l'hôpital[17].
En 2023, elle quitte l'équipe Trek-Segafredo et rejoint la formation australienne BikeExchange Jayco[18].
