Bettini pochází ze slunného Toskánska, kde také přičichl k cyklistice. Již jako malý byl velký talent, vyhrál 23 ze svých prvních 24 závodů. V roce 1996, kdy se jelo poprvé mistrovství světa do 23 let a Italové ho ovládli, dojel na čtvrtém místě za trojicí svých kolegů v národním týmu a před René Andrlem. Tento výsledek mu otevřel dveře mezi profesionály, když podepsal do MG Maglificio-Technogym, kde se stal domestikem Michele Bartoliho. Bettini pomohl svému zkušenějšímu krajanovi k celkové výhře ve Světovém poháru v letech 1997 a 1998. Pro něj samotného to byla skvělá škola.
V následujícím roce oba přestoupili do týmu Mapei-Quickstep, který byl super týmem pro klasiky. Což jim vydrželo v podstatě až dodnes. V tomto roce se Bartoli zranil a to otevřelo dveře Bettinimu. Už nemusel pracovat pro v tu dobu slavnějšího kolegu. V roce 2000 vyhrál nejstarší monument Liége-Bastogne-Liége a jednu etapu na Tour de France. Přineslo to ale i problémy do týmu Mapei. Uzdravený Bartoli nechtěl pracovat pro svého mladšího krajana, který vystoupil z jeho stínu. Vrcholem bylo Mistrovství světa v roce 2001 v Lisabonu, kde tito dva kohouti jeli spíše proti sobě a Bettini díky tomu možná přišel o svůj první titul mistra světa, když mu ho na pásce sebral Oscar Freire.
Průlomová byla sezóna 2002. Podařilo se mu podruhé vyhrát Liége-Bastogne-Liége, ale hlavně celkově ovládl Světový pohár, který v té době byl velmi ceněný a zahrnoval všechny slavné klasiky. Na Mistrovství světa pomohl k vítězství na rovinaté trati v Zolderu Mario Cipollinimu. V následující sezóně zopakoval triumf ve Světovém poháru, když dokázal ovládnout Milán-Sanremo, HEW Classics v Hamburku, Clasicu San Sebastian a navrch dojel čtvrtý na MS v Kanadě. V roce 2004 sice vyhrál celkově Tirreno-Adriatico, ale vítězství se mu spíše vyhýbala. Vše ovšem dokázal napravit v Aténách, kde si na krk nasadil zlatou olympijskou medaili. Namlsán tímto triumfem odjížděl na mistrovství světa s největšími ambicemi, ale závod pro něj skončil předčasně, když si narazil v závodě koleno o mechanický vůz. Sezóna však skončila úspěchem, potřetí v řadě ovládl Světový pohár, čímž se stal rekordmanem. Nikdo jiný před ním Světový pohár třikrát nevyhrál a bohužel nemohl ani po něm, jelikož byl po této sezóně zrušen.
V úvodu ročníku 2005 byl limitován zraněním a ve většině jeho oblíbených klasik byl dost nevýrazný. Forma přišla před Giro d´Italia, ve kterém vyhrál první etapu a oblékl si Maglia Rosa, růžový dres pro vedoucího závodníka, který vezl několik etap. V Miláně se mohl radovat z celkového vítězství v bodovací soutěži. Skvělou přípravou před Mistrovstvím světa byla španělská Vuelta, kde dokázal vyhrát 16. etapu. Světový šampionát jako by byl pro něj zakletý. Byl nejlepší z Italů, ovšem až na 13. místě za vítězným Tomem Boonenem. Chuť si spravil na Okolo Curychu a Lombardii, které vyhrál.
Ročník 2006 byl možná nejúspěšnější v kariéře Bettiniho, ale také velmi bolestný v osobním životě. Měl skvělé jaro, kdy vyhrával menší závody, dojel druhý na Lutychu, zvítězil v etapě Gira a znovu celkově ovládl bodovačku. Podruhé získal italský titul, vyhrál etapu na Vueltě a konečně se stal světovým šampiónem. Je tak jediným cyklistou, který dokázal vyhrát jak elitní světový šampionát i olympijské zlato. Bohužel pár dní poté zahynul při autonehodě jeho bratr Sauro. Paolo byl zničený a dokonce zvažoval ukončení cyklistické kariéry. Naštěstí změnil názor a nastoupil na start Il Lombardia, kterou pro svého bratra vyhrál. Památný je jeho dojezd, kdy v slzách hledí do nebe. Od francouzského deníku Velo získal ocenění Velo d´Or pro nejlepšího jezdce sezóny.
V roce 2007 vyladil svou formu na podzim, chtěl zaútočit na obhajobu světového zlata. Povedlo se. Na Vueltě vyhrál etapu, v dalších pěti etapách byl mezi nejlepší trojicí. A vše vyšperkoval v německém Stuttgartu, kde obhájil titul mistra světa. Další rok již byl posledním v jeho skvělé kariéře. Nedohodl se totiž s Quickstepem, ve kterém strávil skoro celou kariéru, na prodloužení smlouvy. 27. září 2008 oznámil svůj odchod do důchodu. Aby toho nebylo málo, tak si ještě v listopadu střihl milánské dráhové šestidenní, odkud byl převezen do nemocnice v bezvědomí po těžkém pádu.
V roce 2010 převzal po úmrtí Franca Balleriniho italský národní tým, který vedl do roku 2014.
