A mediados de 1997 Boca Juniors se interesó por su pase. Fue así que llegó al "Xeneize" al mismo tiempo que los hermanos Barros Schelotto por pedido expreso Diego Armando Maradona, que jugaba sus últimos partidos antes de retirarse del fútbol profesional en octubre de ese año.
Debutó oficialmente el 3 de septiembre de 1997 en la victoria 1-0 ante Cruzeiro de Brasil por Supercopa Sudamericana de ese mismo año.Palermo se hizo prontamente con un puesto en el equipo titular aunque sus primeras actuaciones no fueron convincentes. Su primer gol en Boca llegó el 30 de septiembre contra Independiente (2-1) por el Torneo Apertura. En dicho torneo disputó 17 partidos y marcó 8 goles, entre lo que se destacan un triplete contra Deportivo Español y un gol a River Plate. Ese mismo año marcó su primer gol en torneos internacionales ante Colo Colo de Chile por la Supercopa en el empate 2-2, siendo su único tanto en cuatro partidos disputados.
En 1998 su club quedó segundo en el Torneo Clausura, en el cual jugó 15 partidos y marcó 12 goles.Con la llegada de Carlos Bianchi a la dirección técnica, Boca volvió a salir campeón luego de 6 años sin títulos, al obtener el Torneo Apertura. En ese torneo Palermo formó una de las duplas mas efectivas del fútbol argentino junto a Guillermo Barros Schelotto. Terminó marcando 20 goles en 19 partidos disputados, siendo un record en torneos cortos de la Primera División de Argentina. En ese certamen señaló siete dobletes. En la Copa Mercosur 1998 Boca quedó eliminado en cuartos de final, donde Martín señalo 3 goles en 4 partidos jugados.En 1999 volvió a salir campeón, esta vez del Torneo Clausura. En este certamen disputó 16 encuentros y marcó 12 goles, incluyendo un gol a River Plate. En medio de la disputa del Torneo Apertura de ese mismo año, Boca visitó a Colón de Santa Fe y Palermo sufrió la rotura de ligamentos cruzados de la rodilla derecha, lesión que le demandó mas de 6 meses de inactividad. Su gol en aquel partido, que marcó ya lesionado, fue su tanto Nº 100 en Primera División Debido a la lesión se perdió los futuros encuentros de ese torneo, en cual marcó 13 tantos en 12 encuentros disputados.
El 24 de mayo del 2000 se dió su regreso a las canchas. Fue contra River Plate, en el marco de los cuartos de final de la Copa Libertadores, y sentenció el partido al marcar el tercer gol favorable a su equipo para una victoria por 3-0, dándole el pase a semifinal para su equipo. Boca terminó obteniendo el torneo internacional, al ganarle en la final a Palmeiras en la definición por penales, donde convirtió su respectivo penal. En el Torneo Clausura disputó solo 4 encuentros y logró marcar 4 goles. En la segunda mitad del año volvió a recuperar su nivel futbolístico y en el Torneo Apertura, que su club se consagró campeón, hizo 11 goles en 18 partidos jugados. Finalmente disputó la final de la Copa Intercontinental contra el Real Madrid, en el cual marcó los 2 goles en los primeros 6 minutos de juego con los que su equipo ganó el encuentro por 2-1.
Su último partido en su primera etapa en Boca fue contra Estudiantes de La Plata por el Torneo Apertura en el cual su equipo ganó por 1-0 y se consagró campeón del torneo. En este primer paso por el club disputó un total de 121 partidos, marcando 91 goles
