Antes de se aventurar no No Limite 7, Paulinho Vilhena fez muita coisa na televisão, principalmente na Globo, onde estreou em em 1998, no seriado Sandy & Júnior, levado ao ar aos fins de semana. Na produção, ele vivia Gustavo, que era o galã e também o namorado de Clara, na primeira temporada.
Ele também foi convidado para a novela Um Anjo Caiu do Céu, que estreou em 2001, mas não foi liberado pela direção da emissora e seu personagem foi dado para Henri Castelli. Mas, um ano antes, o famoso se arriscou como repórter do extinto Vídeo Show, focando suas atenções ao estúdio que fica em São Paulo.
Em 2002, depois de deixar o seriado juvenil e terminar o seu romance com a cantora Sandy, Paulinho Vilhena estreia em sua primeira novela na TV Globo, vivendo o universitário Fábio, de Coração de Estudante.
No ano seguinte, Paulinho tem a oportunidade de ser protagonista de Agora É que São Elas, interpretando o jovem Vitório, que vive um amor conturbado por uma moça totalmente oposta à sua personalidade.
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O famoso, que já arrumou briga na estreia do No Limite 7, também esteve no elenco de Celebridade, onde interpretou Paulo César, um adolescente que era obrigado a estudar para o vestibular de medicina, mas que gostava mesmo de surfar.
Outro personagem de destaque foi o especialista em vinhos Fred em Paraíso Tropical. Além deste, Paulinho esteve na 16ª temporada de Malhação e virou apresentador no game show de aventura Jogo Duro.
Em 2011, Paulinho Vilhena encarna o gago Cristiano em Morde & Assopra, um paleontólogo atrapalhado que só pensa em trabalho. Já em 2014, o ator se destacou ao interpretar o esquizofrênico Salvador em Império, um pintor talentoso, porém confuso em sua doença, que é explorado por um casal para arrancar dinheiro dele com suas obras e não consegue pedir ajuda.
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