Il fratello di Paolo, Federico Casoli, anche lui pilota motociclistico professionista, perse la vita nel 1987 in un incidente durante una gara di motocross.[1]
Il motomondiale 1987 è stato per Casoli il migliore tra quelli in cui ha gareggiato nel campionato mondiale: ha ottenuto la sua prima e unica vittoria in occasione del Gran Premio motociclistico del Portogallo, nonché altri 4 piazzamenti sul podio. Con questi risultati, ottenuti a bordo di una Moto AGV (moto spinta da propulsore Honda con telaio della LCR, sviluppata grazie ai finanziamenti della AGV), al termine della stagione è risultato terzo nella classifica generale. Dal 1988 ha invece cambiato classe, passando alla 250, e gareggiandovi sino al 1993 in sella a moto diverse (Garelli, Honda, Yamaha e Gilera) ma senza ottenere risultati di particolare rilievo.
Nel 1994 si trasferisce nel mondiale Superbike, partecipando a gran parte delle gare stagionali in sella ad una Yamaha YZF750 gestita dal team Yamaha SDA Belgarda.[2] Ottiene due piazzamenti a podio, in occasione dei Gran Premi d'Olanda ed Europa. Chiude la stagione al tredicesimo posto in classifica con settantasei punti ottenuti. Nel 1995 è pilota titolare nel mondiale Superbike, con la stessa squadra e la stessa motocicletta della stagione precedente. ottiene cinquanta punti con cui chiude sedicesimo. Nel 1996 si trasferisce presso il team Gio.ca.Moto che gli mette a disposizione una Ducati 916. Disputa l'intera stagione chiudendo al quattordicesimo posto.
Nel 1997 rimane nella stessa squadra della stagione precedente ma si trasferisce nel campionato mondiale Supersport alla guida di una Ducati 748. Ottiene tre vittorie e tre secondi posti in stagione e, con 145 punti, si laurea primo campione di questa categoria contribuendo inoltre alla contestuale conquista del titolo costruttori da parte di Ducati. Partecipa a questa categoria nelle successive cinque stagioni andando a sfiorare la riconquista del titolo in almeno due occasioniː nel 2000 e nel 2001. Al termine della stagione 2002, che termina al quarto posto tra i piloti,[3] sceglie di chiudere la propria carriera agonistica, in seguito ad un brutto incidente durante i test invernali per la stagione successiva.[4]
Oltre ai risultati in campo internazionale, nel suo palmarès vi sono anche 4 titoli nel campionato Italiano Velocità ottenuti tra il 1995 e il 1999.