Nel 2012 il mezzofondista azzurro partecipò agli Europei di Debrecen, durante i quali riuscì a vincere l'oro continentale ottenendo anche il tempo limite per la qualificazione ai Giochi Olimpici di Londra. Nel finale di stagione realizzò un'altra importante prestazione nei 1500 m quando, in occasione degli Europei in vasca corta di Chartres, vinse la medaglia d'oro. Ai Mondiali in vasca corta di Istanbul vinse l'argento alle spalle del danese Mads Glæsner, che sei mesi più tardi venne squalificato per doping. La squalifica significò per Paltrinieri la conseguente vittoria e consegna della medaglia d'oro. Tuttavia, in seguito al ricorso presentato dal nuotatore danese, tale decisione venne revocata e di conseguenza Gregorio ritornò secondo classificato.