Etter borgerkrigen valgte Palmer å forlate hæren, og i stedet fortsette å arbeide med jernbane. Han ble ansatt i Union Pacific Railway, Eastern Division (UPED) (omdøpt Kansas Pacific Railway i 1869) som leder for bygging av jernbanelinjen mellom Kansas City og Denver. I årene 1867 - 1868 ledet han en ekspedisjon med landmålere som kartla terrenget vestover til stillehavskysten langs henholdsvis 32. og 35. breddegrad. Bakgrunnen var at UPED hadde ambisjoner om å forlenge linjen sin til San Diego og San Francisco, og dermed skape en alternativ transkontinental jernbane. Palmer argumenterte i rapporten sin for at en linje langs 35. breddegrad burde bygges med støtte fra føderale myndigheter. Myndighetene viste imidlertid ingen interesse for forslaget, og rapporten ble arkivert. Palmer fortsatte med jernbanebyggingen for Kansas Pacific Railway inntil linjen til Denver var ferdig i august 1870. Under kartleggingsekspedisjonen i årene 1867 - 1868 ble han god venn med en irskfødt lege, William Abraham Bell. Palmer og Bell ble nære venner og forretningspartnere i tiden som kom.