Jolyon est le fils de l'ancien pilote de F1 Jonathan Palmer. Après sa retraite, celui-ci devient un businessman, rachète plusieurs circuits en Angleterre dont Brands Hatch, et lance en 1998 sa propre formule de promotion, la Formula Palmer Audi. C'est tout naturellement que Jolyon va effectuer ses débuts en monoplace dans cette série. Dixième de sa première année, en 2007, il progresse l'année suivante finissant au troisième rang, avec onze podiums en vingt courses notamment. En 2009, il passe en F2 mais les résultats ne sont pas reluisants, avec une sixième place à Imola pour meilleur résultat. Mais en 2010, il signe cinq victoires et autant de poles positions, mais s'incline face à Dean Stoneman dans la course au titre.

Cette belle progression attire l'attention des équipes de GP2, et c'est l'équipe Arden qui l'engage. Mais la saison est tout simplement catastrophique pour l'Anglais, qui ne marque aucun point, tandis que son coéquipier, Josef Kral, en marque quinze. Toutefois, il reste en GP2 et c'est chez iSport qu'il court en 2012. L'année sera bien meilleure, Jolyon rentre régulièrement dans les points et gagne même la seconde course à Monaco. Il termine onzième du championnat. En 2013, il court pour une autre grosse écurie, Carlin, et continue de progresser, en gagnant deux courses au Hungaroring et à Singapour. Mais comme Marcus Ericsson l'année précédente, il est encore devancé par son équipier, Felipe Nasr. Jolyon va chez DAMS en 2014, pour l'année de la consécration : il signe quatre victoires et douze podiums, et remporte aisément le titre à Monza grâce à l'avance acquise en début de saison.

Il espère ainsi trouver un volant en F1 pour 2015, mais comme son prédécesseur Davide Valsecchi, il doit se contenter d'un poste de pilote essayeur chez Lotus F1, après des contacts avec Force India. Il peut néanmoins rouler en essais privés en début de saison, ainsi qu'en essais libres de Grands Prix au cours de l'année.

En fin d'année, Romain Grosjean quitte Lotus pour rejoindre Haas et lors du week-end américain, Jolyon est confirmé par Lotus pour épauler Pastor Maldonado en 2016. Renault rachète Lotus dans l'hiver, Maldonado est remplacé par Kevin Magnussen mais Jolyon conserve son baquet. Au volant d'une Renault peu développée, il peine à briller. Il termine onzième pour son premier Grand Prix en Australie mais rentre dans le rang les courses suivantes, en restant systématiquement bloqué en Q1. Des rumeurs annoncent déjà le jeune Esteban Ocon pour le remplacer, mais il poursuit sa saison et marque un point au Grand Prix de Malaisie et termine dix-huitième du championnat.

Malgré tout, Jolyon conserve son baquet chez Renault pour la saison 2017. A mi-saison, il n'a toujours pas marqué de point. Lors du Grand Prix de Hongrie il réussit à se qualifier en dixième position mais termine à la douzième place. Il réalise enfin un bon Grand Prix à Singapour. Qualifié dixième il termine la course à la sixième place. Malgré cela, lors du Grand Prix du Japon, Jolyon Palmer annonce lui-même samedi soir que ce Grand Prix sera son dernier chez Renault. Il est remplacé par Carlos Sainz.