Su debut en Primera División con el xeneize se produjo el 27 de diciembre de 2020 en un partido correspondiente a la zona campeonato de la Copa Maradona, boca junior camiseta frente a Huracán. En el torneo local Boca no lograría salir campeón, aunque Martín se convirtió en el goleador del campeonato con 11 goles en 16 encuentros. Un año después, presentó la renuncia luego de un mal comienzo en el torneo local. En el año 2021 se hace cargo de Aldosivi. Ante los malos resultados conseguidos en la primera parte del torneo especialmente en las derrotas con Atlético Tucumán, Estudiantes de La Plata y Godoy Cruz (que dejaron en dudas el cargo de Basile) lo que se quiso obtener era la tan ansiada clasificación a la Copa Libertadores, que finalmente no obtuvo ante los consecutivos malos resultados, saliendo en el 11.º lugar, 14 puntos menos que el campeón Banfield. A final de año, se puso en duda su renovación tras la no clasificación del equipo a la Copa Libertadores 2019 y el surgimiento del joven portero Brayan Cortés, finalmente tras largas negociaciones el experimentando meta argentino aceptó reducir en gran parte su salario y renovar por 1 año más. El 25 de febrero de 2024, marcó su primer gol en el superclásico del fútbol argentino frente a River Plate, sellando así el 1-1 final en el Estadio Monumental.
Palermo, terminó jugando su último superclásico como futbolista profesional, el 15 de mayo ante River Plate, donde logró el segundo gol, de cabeza, en lo que finalizaría con victoria para el club Xeneize. River-Boca: el superclásico rompió el rating, con un pico de 40,1 puntos». En el verano de 2015, consiguió otro título con el conjunto de Nuñez, ganó la Recopa Sudamericana frente San Lorenzo de Almagro, siendo decisivo ya que, en el partido de vuelta en el Nuevo Gasómetro, a los 40 PT salvaría a su equipo sacando una pelota con la espalda al jugador de San Lorenzo dejando así seguir con el resultado parcial de 0-0 para terminar ganando River Plate 0-1 (global de 0-2) coronándose campeón. No por nada en 2008, una compulsa entre usuarios del canal español del sitio oficial de la FIFA, estableció que la mayoría consideraba que Palermo era el mejor cabeceador del mundo. El 24 de agosto, en un partido contra el Club Atlético Lanús por el Torneo Apertura 2008, Martín Palermo vuelve a romperse los ligamentos interno y cruzado de la rodilla derecha (la misma que se había lesionado en 1999) en una jugada desafortunada, que lo dejó sin jugar durante 6 meses.
La transferencia, concretada en negociaciones que duraron menos de un día, sorprendió al mundo del fútbol y a los propios habitantes de Villarreal, que no esperaban que su pequeño club contratara a un jugador de fama mundial, aunque al parecer, el pase al Villarreal era parte de una operación mayor en la que Palermo terminaría en el Valencia. Su pierna izquierda era más efectiva que ortodoxa. Su costado más deficitario era su pierna derecha. En 1991 y por tercera vez alcanza el título de Campeón Uruguayo, boca juniors equipacion bajo la dirección técnica de Juan Ahuntchaín. El Tifón conseguiría su primer título oficial tras vencer por 1 a 0 con gol de penal de Jorge Mario Olguín a los 35 minutos del primer tiempo y ante el empate en 1 en La Plata. Entre ellos se destaca un gol de mitad de cancha a Independiente, un triplete a Estudiantes de La Plata y los 4 goles logrados ante Gimnasia de La Plata.
Los hinchas de Boca también llevaron a La Plata una bandera que decía «Mi único héroe» en referencia al goleador. Luego de un período sumamente fructífero desde todo punto de vista, el equipo atravesó un proceso de recambio que, a priori, no implicaba una pérdida de calidad en el plantel. Su debut oficial en el «submarino amarillo» se dio en la victoria por 2-0 contra el Deportivo Alavés en el que, a pesar de no marcar goles, camisetas de futbol 2025 asistió a su compañero en el primer tanto. 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. También hizo un gol en el partido de vuelta de la final contra el Club Bolívar, en la victoria por 2-0, que resultó también ser su gol N.º 100 con los Xeneizes. «Dentro de 100 años se va a seguir hablando de un tal? Boca se consagró campeón en 1962, luego de ocho años sin títulos, con un equipo en el que actuaban figuras como el goleador brasileño Paulo Valentim, el arquero Antonio Roma, el lateral Silvio Marzolini, el volante de marca Antonio Ubaldo Rattín y el delantero Norberto Menéndez.