Formuła 3000 W sezonie 1987 powrócił do rywalizacji w wyścigach "single-seater", ponownie biorąc udział w najwyższej serii juniorskiej. Seria ta widniała już jednak pod szyldem Międzynarodowej Formuły 3000. Po zajęciu 17. pozycji w końcowej klasyfikacji, w 1988 roku, Włoch przeniósł się do japońskiego odpowiednika tej serii. W nim z kolei został sklasyfikowany na 10. miejscu.
Formuła 1 W roku 1989 odbył testy ze znajomą dla siebie z F2, włoską stajnią Minardi, która miała swój zespół również w Formule 1. Obiecujące rezultaty pozwoliły zadebiutować Barilli podczas Grand Prix Japonii, w zastępstwie swojego rodaka, Pierluigi Martini. Wyścigu nie udało mu się jednak ukończyć.
Włoch dostał jednak szansę udziału w pełnym cyklu, na rok 1990. Niestety, forma Paolo wyraźnie odbiegała od oczekiwań i po braku kwalifikacji w aż trzech wyścigach z rzędu (sześciu łącznie), doszło do utraty przez niego posady, na rzecz innego Włocha, Gianniego Morbidelliego. W ciągu 14 rund, zakończył tylko cztery, na najlepszym uzyskując 11. miejsce, podczas Grand Prix San Marino.