Velilla begyndte sin karriere i 1998 og steg hurtigt frem i den spanske sprintscene. Hun vandt sin første nationale titel på 100 meter i 2000 og har siden vundet yderligere 11 spanske titler i forskellige individuelle og stafetbegivenheder.
På den internationale scene har Velilla repræsenteret Spanien i adskillige store konkurrencer, herunder de olympiske lege, verdensmesterskaberne og europamesterskaberne. Hendes største præstation kom ved 2007 European Athletics Indoor Championships, hvor hun vandt guldmedaljen i 60-meter dash. Velilla vandt også en sølvmedalje på 100 meter ved Middelhavslegene i 2009.
Udover sine sportslige præstationer har Velilla også været involveret i forskellige idrætsrelaterede tiltag, herunder fremme af fysisk aktivitet og fortaler for større ligestilling i sporten. Hun er en motiverende foredragsholder og har ofte været med i medier og uddannelsesprogrammer.