Luca Paolini tog silver i U23-världsmästerskapens linjelopp 1999 efter landsmannen Leonardo Giordani. Han tog också brons på världsmästerskapens linjelopp under säsongen 2004, så som professionell, framför spurtarna Óscar Freire och Erik Zabel.
Paolini blev professionell med Mapei-QuickStep 2000. Samma år vann han bergstävlingen i Danmark Rundt.
Under säsongen 2006 vann Luca Paolini den tolfte etappen av Vuelta a España.
Under säsongen 2007 vann Paolini tävlingen Driedaagse van De Panne-Koksijde och slutade trea i Flandern runt. Samma år blev han också anklagad för att vara involverad i Operazione Athena, som är ett kodnamn för en del husrannsakningar som italiensk polis genomförde under september 2006, mest hos personer med anknytning till bodybuilding.[1]
I början av 2008 vann italienaren Trofeo Laigueglia. I augusti 2008 slutade han tvåa på etapp 3 under Rothaus Regio-Tour International efter tysken Robert Retschke, trots han att i verkligheten korsade mållinje först av alla cyklister. Anledningen var att Paolini under spurten med Robert Retschke hade bytt linje och därmed tvingat Retschke in i ett staket, vilket inte är tillåtet.[2] Han slutade senare tvåa på etapp 5 av tävlingen efter Markus Fothen. Under säsongen slutade han också tvåa på etapp 1 under De Panne tredagars efter landsmannen Enrico Gasparotto. I september vann Luca Paolini den italienska tävlingen Coppa Placci framför Enrico Gasparotto. Senare samma månad slutade han trea på Paris-Bryssel efter Robbie McEwen och Gert Steegmans.
Luca Paolini är svåger till cyklisten Marco Rusconi, som avled på sin 24:e födelsedag, den 14 november 2003 efter en fest på grund av hjärtproblem.[3][4]
