Antonello Palombi studierte Gesang bei Katy Gamberucci und Claude Thiolas. Seit seinem Debüt 1990 als Pinkerton (Madama Butterfly) ist er Gast an vielen Bühnen seines Heimatlandes Italien, u.a. am Granteatro La Fenice in Venedig und an der Mailänder Scala. Inzwischen tritt er auch an vielen internationalen Bühnen auf, u.a. an der Oper Zürich, am Teatro Sao Carlo in Lissabon, an der Oper in Frankfurt/Main, der Deutschen Oper in Berlin, an der Metropolitan Opera New York und bei den Festspielen in Glyndebourne und Salzburg. Einen Schwerpunkt seines Repertoires bilden die Tenorpartien der italienischen Oper des 19. Jahrhunderts, etwa Duca di Mantova (Rigoletto), Macduff (Macbeth), Alfredo (La traviata), Fenton (Falstaff), Edmondo (Manon Lescaut), Pollione (Norma) und die Titelpartie in Don Carlo. Er arbeitete u.a. mit Dirigenten wie Roberto Abbado, Yves Abel, Yuri Ahronovitch, Marco Armiliato, Christian Badea, Maurizio Barbacini, Bruno Campanella, Riccardo Chailly, Claudio Desderi, Asher Fisch, Carlo Franci, Riccardo Frizza, Sir John Elliott Gardiner, Daniel Harding, Yoel Levi, Fabio Luisi, Paolo Olmi, Renato Palumbo, Stefano Ranzani, Donato Renzetti, Nello Santi, Robert Spano, Pinchas Steinberg, Marcello Viotti, Franz Welser-Most und Marco Zambelli zusammen.