W marcu 2012 roku Paltrinieri zdobył włoski tytuł mistrza świata na 800 metrów swobodnym stylem, a dwa miesiące później zostawił wszystkich na swoim tropie na Mistrzostwach Europy.
w Debrecenie, pokonując znanych Węgrów Gergő Kis i Gergely Gyurta na 1500 m. Jego czas 14:48.92 zakwalifikował go do Igrzysk Olimpijskich i w tym czasie był drugim najszybszym pływakiem na 1500 m w roku, pobił rekord mistrzostw. Trenuje go Stefano Morini. Na Letnich Igrzyskach Olimpijskich 2012 roku, 17-letni Włoch awansował do swojego pierwszego finału olimpijskiego z czwartym najszybszym czasem 14:50.11. W finale zajął piąte miejsce w 14:51.92.