Ihren ersten großen Erfolg erreichte Paola Espinosa bei den Schwimmweltmeisterschaften 2003 in Barcelona. Zusammen mit Laura Sánchez gewann sie Bronze im Synchronspringen vom 3 m-Brett. Bei den Olympischen Spielen 2004 in Athen wurde sie in beiden Synchronwettbewerben Fünfte; vom 3 m-Brett an der Seite von Laura Sánchez, vom 10 m-Turm zusammen mit Jashia Luna. Sie startete auch in beiden Einzelwettbewerben und belegte jeweils den zwölften Platz. Bei den Schwimmweltmeisterschaften 2005 in Montreal erreichte sie erneut in beiden Synchronwettbewerben das Finale, sie wurde Vierte vom 3 m-Brett und Sechste vom 10 m-Turm. 2007 gewann sie bei den Panamerikanischen Spielen in Rio de Janeiro drei Goldmedaillen und eine Silbermedaille, darunter Gold in den Einzelwettbewerben vom Brett und vom Turm. Bei den Schwimmweltmeisterschaften 2007 in Melbourne belegte sie dreimal den siebten Platz: in beiden Synchronwettbewerben und vom Turm.