Paola Pitagora naît sous le nom de Paola Gargaloni à Parme dans la région de l'Émilie-Romagne en 1941. Elle suit les cours du Centro sperimentale di cinematografia et fréquente l'école de théâtre d'Alessandro Fersen(it). À la fin des années 1950, elle débute comme animatrice à la télévision italienne en présentant différentes émissions, comme Il giornale delle vacanze, Fuori l’orchestra, Aria di vacanze ou Cinema d’oggi. Elle compose, écrit et chante également des chansons pour enfants, comme La Zanzara ou La giacca rotta qui ont été réalisés pour le festival pour enfants Zecchino d'Oro.
En 1969, elle tient le premier rôle féminin du film noir Senza sapere niente di lei de Luigi Comencini. Face à l'acteur français Philippe Leroy, elle incarne le personnage de Cinzia, une jeune femme instable, émotive et tourmentée, dont la détresse amoureuse et la fragilité morale vont la conduire à sa perte. Pour ce rôle, elle obtient le Ruban d'argent de la meilleure actrice en 1970.
En 1992, elle donne la réplique à Piero Natoli et à sa fille Carlotta Natoli dans la comédie Gli assassini vanno in coppia. Elle apparaît ensuite en 1994 dans la comédie Même heure, l'année prochaine (Tutti gli anni una volta l'anno) de Gianfrancesco Lazotti, en 1995 dans le téléfilm Servo d'amore de Sandro Bolchi et en 1999 dans la comédie dramatique Non con un bang de Mariano Lamberti(it). C'est finalement la télévision qui lui offre son rôle le plus important. À partir de 1998, elle incarne la directrice de la clinique romaine Life dans la série télévisée Les Destins du cœur (Incantisimo). Cette série rencontre un grand succès en Italie, elle s'étale alors sur dix saisons jusqu'en 2007.
Depuis les années 2000, elle poursuit sa carrière à la télévision italienne ou elle obtient quelques rôles dans des séries télévisées, comme I cerchi nell'acqua d'Umberto Lenzi ou Gli anni spezzati de Graziano Diana(it). Elle travaille également comme actrice au théâtre et, depuis 2001, comme romancière. Elle a notamment écrit le roman Fiato d'artista. Dieci anni a Piazza del Popolo qui est inspiré de sa carrière.
Elle a une fille, Evita Ciri, qui travaille comme actrice.