Velilla začala svoju kariéru v roku 1998 a rýchlo sa dostala na popredné miesto na španielskej šprintérskej scéne. V roku 2000 získala svoj prvý národný titul v behu na 100 metrov a odvtedy si pripísala ďalších 11 španielskych titulov v rôznych individuálnych a štafetových disciplínach.
Na medzinárodnej scéne Velilla reprezentovala Španielsko na mnohých veľkých súťažiach vrátane olympijských hier, majstrovstiev sveta a majstrovstiev Európy. Najväčší úspech dosiahla na halových majstrovstvách Európy v atletike v roku 2007, kde získala zlatú medailu v behu na 60 metrov. Velilla tiež získala striebornú medailu v behu na 100 metrov na Stredomorských hrách v roku 2009.
Okrem svojich športových úspechov sa Velilla zapojila aj do rôznych iniciatív súvisiacich so športom, vrátane podpory fyzickej aktivity a obhajovania väčšej rodovej rovnosti v športe. Je motivačnou rečníčkou a často sa objavuje v médiách a vzdelávacích programoch.