За сборную Мексики Паленсия дебютировал против сборной Боливии 8 июня 1996 года в игре товарищеского международного турнира, который проходил в североамериканском городе Даллас. В первой же игре за «ацтеков» Франсиско отметился забитым голом. Впоследствии Паленсия принимал участие во множестве международных турниров сборной: Олимпиаде в Атланте в том же 1996 году; он выиграл три Золотых Кубка КОНКАКАФ (в 1996, 1998, 2003 годах); стал победителем Кубка конфедераций в 1999 году (также играл на турнире 1997 года); принимал участие в трёх Кубках Америки (1997, 1999, 2004), причём в первых двух сборная Мексики занимала третье место; был участником двух чемпионатов мира (1998, 2002), на которых мексиканцы доходили до стадии 1/8 финала.