In 2016 werd Palmer gepromoveerd naar een racezitje bij Lotus, dat inmiddels een fabrieksteam was geworden na de overname door Renault. Oorspronkelijk zou hij Pastor Maldonado als teamgenoot krijgen, maar deze werd door Renault vervangen door Kevin Magnussen. Hij kende een goede debuutrace met een elfde plaats in Australië, maar kreeg het snel hierna lastig, aangezien de auto van Renault grotendeels ontwikkeld was door het bijna failliete Lotus. In de tweede helft van het seizoen zette hij betere resultaten neer, met als hoogtepunt een tiende plaats tijdens de Grand Prix van Maleisië. Hierdoor eindigde hij met één WK-punt op de achttiende plaats in het kampioenschap.