Паоло Анджело Несполи родился 6 апреля 1957 года в городе Милан, Италия. После окончания в 1977 году лицея «Paolo Frisi» в Милане Несполи был призван в армию. С 1985 года обучался в Политехническом университете Нью-Йорка. В 1988 году получил степень бакалавра в области  аэрокосмической инженерии, а спустя год успешно защитил магистерскую диссертацию по аэронавтике и астронавтике. В 1990 году Паоло Несполи получил степень бакалавра по инженерной механике в Университете Флоренции.

 Паоло Несполи проходил специальную подготовку в военно-парашютной школе, по окончании которой ему присвоили квалификацию инструктора по парашютному спорту. С 1890 года поступил на службу в 9-й штурмовой полк «Коль Москин» в Ливорно. Уже через год Несполи был признан профессиональным спецназовцем. С 1982 года на протяжении двух лет проходил службу в составе итальянского контингента многонациональных сил по поддержанию мира в Ливане в командирской должности. В 1987 году Паоло Анджело Несполи уволен в запас офицером.

В 1989 году Несполи занял доожность инженера-проектировщика в компании Proel Tecnologie во Флоренции, где принимал участие в создании основных узлов итальянского спутника TSS. С 1991 года занимался инженерной подготовкой астронавтов ЕКА в Европейском центре астронавтов в германском городе Кёльн. Спустя четыре года был переведен в Европейский центр космических исследований и технологий, находящийся в Нордвейке, Нидерланды. В рамках совместного проекта «Евромир» Несполи отвечал за настройку и установку компьютера, обеспечивающего выполнение экспериментов и поддержку экипажа на российской орбитальной станции «Мир». С 1996 года занимался подготовкой экипажей МКС в космическом центре имени Линдона Джонсона. 

В августе 2004 года Несполи был откомандирован в Центр подготовки космонавтов имени Юрия Гагарина, где прошёл начальную подготовку для полётов на корабле «Союз ТМА». После этого он вернулся в Хьюстон, где прошёл углублённую подготовку, которая закрепила приобретённые навыки.Выполнял некоторые виды технических работ для НАСА, ЕКА и ИКА.

В июне 2006 года Паоло Несполи получил назначение в экипаж миссии STS-120. Свой первый космический полёт 50-летний Паоло Несполи совершил в качестве специалиста полёта с 23 октября по 7 ноября 2007 года . Основными задачами миссии STS-120 были посещение МКС, доставка 16-го основного экипажа, а также соединительного модуля «Гармония». В момент установки модуля, а также во время выход в открытый космос двух американских астронавтов Несполи обеспечивал их поддержку, находясь внутри станции. Кроме того, он выполнил ряд европейских экспериментов по физиологии и биологии. Продолжительность полёта составила 15 суток 2 часа 23 минуты.

 Решением НАСА 21 ноября 2008 года Паоло Несполи назначили бортинженером Международной космической станции в дублирующий состав экипажа основной экспедиции МКС-24 и одновременно в основной экипаж МКС-26.

В свой второй полёт 53-летний Несполи отправился в составе международного экипажа на российском космическом корабле «Союз ТМА-20», который стартовал 15 декабря 2010 года. Через сутки после старта корабль состыковался с МКС. Возвратился на Землю 24 мая 2011 года. Продолжительность второго полёта составила 159 суток 7 часов 16 минут. На борту МКС Несполи участвовал в съёмках документального фильма о полёте Гагарина «Первая орбита».

В общей сложности, за два космических полёта Паоло Несполи провёл в космосе 174 суток 9 часов 39 минут (4185 часов 39 минут), что является рекордом среди итальянских астронавтов.