Màn trình diễn của Palacio trong màu áo Boca đã thu hút sự chú ý của huấn luyện viên tuyển Argentina José Pekerman, anh đá trận đầu tiên cho Argentina vào ngày 9 tháng 3 năm 2005 trong trận hòa 1–1 México. Ngày 26 tháng 3 năm 2005 anh góp mặt trong trận thắng Bolivia 2–1 tại vòng loại World Cup. Ngày 15 tháng 5 năm 2006, Palacio được huấn luyện viên José Pekerman điền tên vào danh sách tham dự World Cup 2006 và ngày 10 tháng 6, anh vào sân thay người ở phút 60 trong trận mở màn vòng bảng thắng 2–1 trước Bờ Biển Ngà.[11]

Ngày 15 tháng 6 năm 2008 tại vòng loại World Cup, Palacio vào sân thay người phút 85 và ghi bàn ấn định tỉ số hòa 1–1 trước Ecuador ở phút 93.[12] 3 ngày sau đấy, ngày 18 tháng 6 năm 2008 anh lại được thay vào ở phút 90 trận gặp Brazil, tuy vậy, trận đấu kết thúc với tỉ số 0–0.[13]