W seniorskiej reprezentacji Włoch kapitan Sampdorii zadebiutował 16 sierpnia 2006 w przegranym 0:2 towarzyskim meczu z Chorwacją zmieniając w 58 minucie Fabio Liveraniego. W spotkaniu tym debiut zaliczyli również Christian Terlizzi, Giulio Falcone oraz Gennaro Delvecchio. Początkowo Palombo występował tylko w meczach towarzyskich, po czym 10 września 2008 wystąpił w meczu eliminacji do Mistrzostw Świata 2010 z Gruzją. W 2009 Marcello Lippi powołał go do kadry na Puchar Konfederacji, a w 2010 na mistrzostwa świata.