Ela estreou na televisão em 1991, no seriado Grande Pai, do SBT, no qual interpretava uma pré-adolescente cheia de conflitos internos. Em 1993 assinou com a Rede Globo e interpretou uma gama de personagens adolescentes em Renascer, Tropicaliente, O Fim do Mundo e Anjo de Mim, ganhando destaque com o público jovem.
Aos dezoito anos, Paloma fez um ensaio fotográfico nua para a revista Playboy, sendo uma das mais jovens a aparecer na publicação. No ano de 1998 interpretou sua primeira personagem adulta na minissérie Hilda Furacão, a cômica e inocente Leonor, que popularizou o corte de cabelo curto e cacheado da personagem. A atriz deu vida a outras personagens importantes na Rede Globo, porem em 2005 se transferiu para a Record Tv. Neste mesmo ano esteve no elenco do filme 2 Filhos de Francisco interpretando Zilu Camargo, pelo qual recebeu o prêmio de melhor atriz no Grande Prêmio do Cinema Brasileiro.
Na nova emissora estreou sua primeira protagonista na novela Cidadao Brasileiro e foi aclamada pela imprensa pela construção e desenvolvimento de sua personagem no decorrer da trama. Paloma foi considerada a principal atriz da emissora, sendo nomeada pela imprensa como a “primeira-dama” da teledramaturgia da Record. Nesta época seu salário foi apurado em torno de R$ 90 mil, o maior do canal, condizente com o de grandes veteranos da Rede Globo.
Após varios trabalhos na Record tv, Paloma Duarte retornou para a Rede Globo, onde ficou 15 anos afastada. Ela integrou o elenco de Malhacao, toda forma de amar. Atualmente ela integra o elenco do folhetim das 18 horas, interpretando Heloisa, tia da protagonista vivida por Larissa Manoela.
Paloma Duarte é filha da atriz Debora Duarte e do cantor e compositor Antonio Marcos já falecido. Em 1993, casou-se com o cantor Renato Lui, com quem ficou por apenas dois anos.No ano de 1994 deu à luz sua primeira filha, Maria Luiza, com apenas 17 anos. Em 1996 começou a namorar o ator Marcos Winter, com quem se casou e teve a sua segunda filha, Ana Clara. O casamento durou até março de 2003.
A atriz também foi casada com o cantor Osvaldo Montenegro, 21 anos mais velho que ela. A união do casal durou por 6 anos.
No ano de 2011, Paloma iniciou um relacionamento com o também ator Bruno Ferrari e teve como fruto da união o filho Antonio, nascido em 2006.
Em diversas entrevistas cedidas pela atriz, ela afirma que encara a maternidade como algo encantador. Atualmente aos 45 anos de idade e mae de três dilhos, Paloma é daquelas mães do tipo leoa, coruja e parceira, a atriz experimentou a maternidade em diferentes fases da vida e conta que, se dependesse dela, já teria uma prole.
A diferença entre as meninas e o mais novo é de 20 anos. A atriz ressalta que a mãe que foi lá atrás é bem diferente da atual. Na época de Malu e Ana Clara, Paloma lembra da urgência que teve em retomar a atuação. Com Antonio foi ao contrário. Para se dedicar integralmente ao menino, ela deu uma pausa na profissão.
A atriz ainda não esta gravida, mas também não descarta a possibilidade. Ela revelou que se pudesse teria uns 15 filhos e diz ter vindo ao mundo para ter filhos.