Palombo voitti alle 21-vuotiaiden Euroopan mestaruuden vuonna 2004 ja samana vuonna olympiapronssia Ateenan kisoista. Palombo teki debyyttinsä Italian maajoukkueessa elokuussa 2006 Kroatiaa vastaan. Palombo edusti Italiaa vuoden 2009 Maanosaliittojen cupissa sekä MM-kilpailuissa 2010.