V marci 2012 Paltrinieri vyhral taliansky titul na 800 metrov voľným štýlom, a o dva mesiace neskôr nechal všetkých v jeho šleme na
Majstrovstvá Európy v Debrecene, kde porazili slávnych Maďarov Gergőho Kiša a Gergelyho Gyurtu na 1500 m. Jeho čas 14:48.92 ho kvalifikoval na olympijské hry a v tom čase bol druhým najrýchlejším plavcom na 1500 metrov v roku, čím prekonal rekord majstrovstiev. Trénuje ho Stefano Morini. Na Letných olympijských hrách v roku 2012 sa 17-ročný Talian postúpil do svojho prvého olympijského finále s 4. najrýchlejším časom 14:50.11. Vo finále skončil piaty za 14:51,92.