Su abuelo, Enrique Palermo, había jugado en el primer equipo del Club Deportivo Vieytes de Magdalena.

[26]​ Viendo su alto rendimiento, directivos de For Ever lo volvieron a llevar al Club Estudiantes en 1985, pero esta vez como delantero en la pre Novena, aunque debió inicialmente permanecer como suplente.

[30]​ Cursó con dificultades sus estudios secundarios, hasta tercer año en el Sagrado Corazón y luego en la sección nocturna de la escuela Normal Benito Lynch, obligado por los entrenamientos.

También disputó el Torneo Apertura de ese mismo año donde jugó 10 partidos y no convirtió goles.

Al año siguiente, por el Torneo Clausura 1994, disputó 7 encuentros y marcó 1 gol, siendo su segundo tanto como futbolista profesional.

En 1994, Estudiantes perdió la categoría y debió descender a la segunda división para disputar el Campeonato Nacional B 1994-95.

Dos referentes históricos del club, Miguel Ángel Russo y Eduardo Luján Manera, se ofrecieron entonces como directores técnicos para dirigir al equipo en el principal torneo de ascenso.

[38]​ El diario Clarín del sábado 26 de agosto llegó a anunciar que Palermo ingresaría ese día como titular ante Deportivo Morón.

En medio de una situación caótica, asumió interinamente la dirección técnica el preparador físico, "El Profe" Daniel Córdoba, quien cambió radicalmente la postura del club ante Palermo y lo incluyó entre los titulares, junto a jugadores como Carlos Bossio, Claudio París, Juan Sebastián Verón y José Luis Calderón.

[13]​ Fue en este último año que Martín, a sugerencia del Profe Córdoba, se cortó el pelo largo que usaba hasta entonces y se lo tiñó de color plata, con el fin de llamar la atención y promover su transferencia.

[13]​ Ya en Estudiantes, Martín escogió como su representante al empresario Gustavo Mascardi, quien permanecería en ese papel hasta poco después de su retorno a Boca en 2004.

Ese mismo año marcó su primer gol en torneos internacionales ante Colo-Colo de Chile por la Supercopa Sudamericana en el empate 2-2, siendo su único tanto en cuatro partidos disputados.

[52]​[51]​ En el Torneo Clausura 1998 aumentó aún más le eficacia que había mostrado en el anterior, llegando a marcar 12 goles en 15 partidos (promedio de 0,80), y nuevamente le hizo un gol a River Plate en su segundo superclásico (11/04/98), confirmándose como ídolo de la hinchada.

Apenas quince días después de asumir como técnico lo definió con una expresión que se convertiría en su apodo más famoso, "el optimista del gol":

[61]​ Durante este torneo también convirtió un penal contra Platense en el que al resbalarse, le pegó a la pelota con los dos pies.

Finalizada la Copa América, la Lazio inició negociaciones para comprar al delantero, en aproximadamente 15 millones de dólares.

[64]​[66]​[67]​ Debido a la lesión no pudo continuar en el torneo, cuando ya había convertido 14 tantos en 13 encuentros (promedio 1,08).

Palermo no se encontraba aún en un buen estado físico, pero Bianchi de todos modos lo puso en el banquillo.

Entonces, faltando trece minutos para el final, Bianchi sacó a Palermo al campo de juego.

Allí Boca volvió a consagrarse campeón, esta vez del Torneo Apertura 2000, cerrando un año brillante en el que obtuvo la triple corona (título nacional, continental y mundial).

Después de algunos partidos sin convertir, volvió a marcar un gol ante el Levante Unión Deportiva en la Copa del Rey.

[85]​ Finalmente, en la temporada 2002-03, al no estar en los planes del entrenador Benito Floro, se desvinculó definitivamente de la institución.

[96]​ Pese a eso Martín siguió como titular y logró su primer gol el 29 de agosto contra Racing Club, donde marcó un doblete que sirvió para una victoria por 2-1.

En la Copa Sudamericana quedó eliminado con São Paulo a pesar de haberle convertido 2 goles en el primer partido, que sirvió para una victoria por 2-1.

[132]​ En julio de 2010 renovó su vínculo contractual con el club Boca Juniors por una temporada más y anunciando que será su último año como futbolista profesional.

La despedida fue muy emotiva, con lágrimas, tanto del propio Martín Palermo como por parte de los hinchas, que emocionados le dijeron 'Hasta siempre'.

Ese mismo día, la conocida hinchada de Boca, "La 12", coreo un tema para él: 'Muchas gracias Palermo, vos nos diste los goles, vos nos diste alegrías, lo que hiciste por Boca no se olvida en la vida' y durante los 45 minutos en homenaje a él, la Bombonera no se quedó callada.

Los hinchas de Boca también llevaron a La Plata una bandera que decía "Mi único héroe" en referencia al goleador.

Con esa conquista se convirtió en el mundialista argentino más longevo en marcar un gol, superando a Diego Armando Maradona que con 33 años le anotó justamente al mismo rival: ante Grecia en Estados Unidos 1994.

[157]​ Dirigió a Unión Española en 93 compromisos, de los cuales ganó 39, empató 28 y perdió 26, totalizando un rendimiento del 52%.