En 2015, Paltrinieri fue campeón del mundo de 1500 metros libre en el Campeonato Mundial de Natación celebrado en Kazán, Rusia. En 2016, revalidó sus dos títulos europeos al ganar los 800 metros y los 1500 metros libres en el Campeonato Europeo de Londres y fue campeón olímpico en los Juegos Olímpicos de Río de Janeiro 2016 en los 1500 metros libres. En 2017 Paltrinieri gana los 1500 metros libre al campeonato mundial en Budapest, llegando tercero en los 800 metros libre, detrás de su compatriota Gabriele Detti y del polaco Wojciech Wojdak.