Velilla begynte sin karriere i 1998 og ble raskt fremtredende i den spanske sprintscenen. Hun vant sin første nasjonale tittel på 100 meter i 2000 og har siden hevdet 11 ekstra spanske titler i ulike individuelle og stafettarrangementer.
På den internasjonale scenen har Velilla representert Spania i en rekke store konkurranser, inkludert de olympiske leker, verdensmesterskapet og europamesterskapet. Hennes største prestasjon kom ved EM i friidrett innendørs i 2007, hvor hun tok gullmedaljen på 60-meteren. Velilla vant også en sølvmedalje på 100 meter ved Middelhavslekene i 2009.
I tillegg til sine idrettsprestasjoner har Velilla også vært involvert i ulike idrettsrelaterte tiltak, blant annet fremmet fysisk aktivitet og tatt til orde for større likestilling i idretten. Hun er en motiverende foredragsholder og har ofte vært omtalt i media og utdanningsprogrammer.