Erste internationale Erfahrungen sammelte Marileidy Paulino 2016 bei den Ibero-Amerikanischen Meisterschaften in Rio de Janeiro, bei denen sie mit der dominikanischen 4-mal-100-Meter-Staffel in 44,56 s den fünften Platz belegte. Anschließend nahm sie im 100-Meter-Lauf an den U23-NACAC-Meisterschaften in San Salvador teil und belegte dort in 11,98 s Rang fünf, während sie über 200 Meter mit 24,00 s auf den sechsten Platz gelangte. Im Jahr darauf erreichte sie bei der Sommer-Universiade in Taipeh das Halbfinale im 200-Meter-Lauf, in welchem sie mit 23,95 s ausschied. Zudem wurde sie mit der Staffel im Vorlauf disqualifiziert. 2018 erreichte sie bei den Zentralamerika- und Karibikspielen (CAC) in Barranquilla über 100 und 200 Meter in 11,33 s bzw. 23,04 s jeweils den vierten Platz und gewann mit der Staffel in 43,68 s die Bronzemedaille hinter den Mannschaften aus Jamaika und Trinidad und Tobago. 2019 schied sie bei den Panamerikanischen Spielen in Lima mit 11,84 s über 100 Meter in der ersten Runde aus und wurde über 200 Meter in 23,29 s Siebte. Zudem qualifizierte sie sich über 200 Meter für die Weltmeisterschaften in Doha und erreichte dort das Halbfinale, in dem sie mit 23,03 s ausschied. Ende Oktober gelangte sie bei den Militärweltspielen in Wuhan bis in das Finale und gewann dort in 23,18 s die Silbermedaille hinter der Slowenin Maja Mihalinec. Bei den World Athletics Relays 2021 im polnischen Chorzów wurde sie in 3:17,58 min Dritte in der Mixed-Staffel hinter den Teams aus Italien und Brasilien. Zudem stellte sie in Santo Domingo mit 50,31 s einen neuen Landesrekord über 400 Meter auf. Bei den Olympischen Spielen in Tokio lief sie zunächst im Semifinale mit 49,38 s Landesrekord, ehe sie im Finale als Zweite den Rekord auf 49,20 s steigerte. Mit der Mixed-Staffel über 4 × 400 m gewann sie zusammen mit Lidio Féliz, Anabel Medina und Alexander Ogando die Silbermedaille.