Noch erfolgreicher verlief das Jahr 2015; nach einem zweiten Platz hinter der Brasilianerin Sarah Menezes bei den Panamerikanischen Judo-Meisterschaften 2015 im April, erkämpfte Pareto ebenfalls Silber (diesmal hinter Dayaris Mestre Álvarez) bei den Panamerikanischen Spielen 2015 in Toronto im Juli. Bei den nachfolgenden Judo-Weltmeisterschaften 2015 in der kasachischen Hauptstadt Astana erkämpfte sie sich ihren ersten Weltmeistertitel und bezwang dabei im Finale ihre Konkurrentin Haruna Asami aus Japan. Für ihren bisherigen Leistungen und Erfolge wurde sie im Dezember 2015 mit dem Olimpia Award, der alljährlich an den besten argentinischen Athleten vergeben wird, ausgezeichnet. Nachdem sie bereits in den vorangegangenen Jahren der Topgruppe der Weltrangliste in der Gewichtsklasse bis 48 Kilogramm angehörte, kämpfte sie im Jahre 2015 vor allem mit der Mongolin Mönkhbatyn Urantsetseg um den ersten Platz, blieb aber immer Zweite bzw. Dritte. Nach einer Silbermedaille bei den Panamerikanischen Judo-Meisterschaften 2016 in Havanna Ende April 2016 nahm Paula Pareto im August 2016 an den Judowettbewerben der Olympischen Sommerspiele 2016 in Rio de Janeiro teil. Bei ihren dritten Olympischen Spielen setzte sich die Argentinierin ab der zweiten Runde, in die sie einstieg gegen die Konkurrenz durch. Nach einem Zweitrundensieg über Irina Dolgowa aus Russland bezwang sie im Viertelfinale Éva Csernoviczki aus Ungarn und konnte im Halbfinale Ami Kondo aus Japan bezwingen. Im abschließenden Finalkampf gegen die Südkoreanerin Jeong Bo-kyeong setzte sich Pareto ebenfalls als Siegerin durch und holte für Argentinien die erste Goldmedaille im Judo. In der vor den Olympischen Sommerspielen 2016, am 26. Juli 2016, herausgebrachten Weltrangliste rangierte die Argentinierin in der Kategorie bis 48 kg mit drei Punkten Rückstand auf Ami Kondo und 460 Punkten Rückstand auf Mönkhbatyn Urantsetseg auf dem dritten Platz.