Hè 2023, Palmer được tuyển mộ với giá 50 triệu USD từ Man City và lập tức trở thành điểm sáng trong mùa giải bết bát của Chelsea. Cầu thủ 22 tuổi đã ghi 22 bàn và kiến tạo 11 trong 33 trận, qua đó được bầu làm Cầu thủ trẻ hay nhất Ngoại hạng Anh mùa 2023-2024.
Cho đến nay, Palmer đã góp dấu giày vào 43 bàn của Chelsea. Không một cầu thủ nào cùng giải đấu đạt được thông số như vậy. Cũng trong khoảng thời gian này, tiền vệ công người Anh là cầu thủ duy nhất có 15 kiến tạo. Với màn trình diễn thượng hạng trước Brighton, anh lập kỷ lục chưa từng có trong lịch sử Ngoại hạng Anh, khi trở thành cầu thủ đầu tiên ghi được bốn bàn thắng trong hiệp một.
Hiện, Palmer được Chelsea gia hạn hai năm tới năm 2033.
