Velilla a débuté sa carrière en 1998 et s'est rapidement imposée sur la scène espagnole du sprint. Elle a remporté son premier titre national au 100 mètres en 2000 et a depuis remporté 11 titres espagnols supplémentaires dans diverses épreuves individuelles et de relais.
Sur la scène internationale, Velilla a représenté l'Espagne dans de nombreuses compétitions majeures, notamment les Jeux Olympiques, les Championnats du monde et les Championnats d'Europe. Sa plus grande réussite est survenue aux Championnats d'Europe d'athlétisme en salle 2007, où elle a remporté la médaille d'or au 60 mètres. Velilla a également remporté une médaille d'argent au 100 mètres aux Jeux méditerranéens de 2009.
En plus de ses réalisations sportives, Velilla a également participé à diverses initiatives liées au sport, notamment la promotion de l'activité physique et la défense d'une plus grande égalité des sexes dans le sport. Elle est une conférencière motivatrice et a fréquemment figuré dans des programmes médiatiques et éducatifs.