Le 2 avril 2013, il est échangé aux Cardinals de l'Arizona contre un sixième tour de draft 2013 et un potentiel choix en 2014. Il y signe un contrat de pour . Son entraîneur est Bruce Arians, ancien entraîneur intérimaire des Colts qui avait dirigé cette franchise pendant que l'entraîneur principal Chuck Pagano se rétablissait d'un cancer. Malgré un mauvais départ (3 victoires pour 4 défaites), Palmer mène les Cardinals à un bilan de 10 victoires pour 6 défaites mais ne parvient pas à se qualifier lors de la pour les playoffs.