Palermo ha sido internacional con la Selección argentina en 14 partidos marcando 8 goles (0,57 de promedio); de los cuales 6 partidos fueron oficiales marcando 4 goles (0,67 de promedio); y 7 partidos amistosos marcando 3 goles (0,43 de promedio).
Debutó el 3 de febrero de 1999 en un partido amistoso contra Venezuela, siendo convocado en el inicio del ciclo de Marcelo Bielsa como entrenador. El partido terminó con victoria argentina por 2-0. Posteriormente jugó ante México, el 10 de febrero, y Lituania, el 26 de junio, en otros dos amistosos.
Luego fue convocado a jugar la Copa América 1999 disputada en Paraguay donde, a pesar de marcar 3 goles (dos a Ecuador y uno a Uruguay) en 4 partidos (siendo el goleador del equipo en la competición), quedó marcado por el récord Guiness negativo de malograr tres penales en un mismo encuentro ante Colombia, que finalizó con derrota por 3-0.
En el 2008, el entrenador Alfio Basile tuvo pensado convocarlo para los partidos contra Paraguay y Perú pero una lesión en la rodilla derecha obligó a Basile a no convocarlo. Palermo tuvo la posibilidad de jugar contra Paraguay en la derrota por 1-0, entrando a los 59 minutos del partido.
El 1 de septiembre de 2009 volvió a ser convocado por el entrenador Diego Armando Maradona para los partidos contra Brasil y Paraguay por la clasificación a la Copa Mundial de Fútbol de 2010.
El 30 de septiembre participó de un partido amistoso contra Ghana, en el cual marcó los dos goles en la victoria por 2-0 de Argentina.
Volvió a ser convocado para las eliminatorias para los partidos contra Perú y Uruguay.Solo jugó contra el primero de ellos, donde marcó un gol sobre el final del partido y le dió la victoria a Argentina por 2-1.
Luego de aquel partido ante Perú, siguió siendo convocado para diferentes amistosos: contra Costa Rica, el 26 de enero, en la victoria por 3-2;
contra Jamaica, el 10 de febrero, donde marcó un gol en la victoria por 2-1;contra Haití, el 5 de mayo, donde volvió a marcar un gol en la victoria por 4-0; y contra Canadá, el 24 de mayo, en la victoria por 5-0. Luego de ser seleccionado en la lista de 30 jugadores, y finalmente Maradona lo convocó para disputar el Mundial de Sudáfrica 2010.
