Im Jahr 1987 wechselte Barilla in den Monoposto-Rennsport und fuhr für verschiedene Teams zwei Jahre in der Internationalen Formel-3000-Meisterschaft, ohne dabei größere Erfolge zu erreichen. Durch seine Freundschaft mit Giancarlo Minardi, dem Gründer und damaligen Eigentümer des Minardi-Teams, sowie mit der finanziellen Unterstützung durch seine Familie stieg Barilla in der Saison 1989 in die Formel-1-Weltmeisterschaft auf. Er debütierte beim Großen Preis von Japan in Suzuka und startete in der folgenden Saison zu acht weiteren Grands Prix. Bei sechs Veranstaltungen konnte er sich nicht zum Rennen qualifizieren, insgesamt erreichte Barilla nur viermal das Ziel. Punkte errang er nicht. Seine beste Platzierung war der elfte Rang beim Großen Preis von San Marino, sein bester Startplatz der 14. Rang beim Großen Preis der USA. Wegen ausbleibender Erfolge wurde er noch vor Saisonende durch Gianni Morbidelli ersetzt. Barilla beendete daraufhin seine Motorsportkarriere und wechselte in das Familienunternehmen.