Vào ngày 6 tháng 8 năm 2023, Palmer ghi bàn thắng đầu tiên ở FA Community Shield 2023 vào lưới Arsenal, sau khi vào sân thay Erling Haaland ở hiệp hai. Tuy nhiên, Arsenal đã ghi bàn ở phút bù giờ và cuối cùng giành chiến thắng trong loạt sút luân lưu. Mười ngày sau, Palmer ghi bàn gỡ hòa ở Siêu cúp UEFA 2023 trước Sevilla mà Manchester City thắng 5–4 trong loạt sút luân lưu sau khi trận đấu kết thúc với tỷ số 1-1.

2.1.2. Chelsea

Ngày 1 tháng 9 năm 2023, Palmer ký hợp đồng với câu lạc bộ Premier League Chelsea với thời hạn 7 năm, kèm theo tùy chọn gia hạn thêm một năm. Phí chuyển nhượng ban đầu được cho là 40 triệu bảng, có khả năng tăng thêm 2,5 triệu bảng với các tiện ích bổ sung. Anh ra mắt vào ngày hôm sau khi vào sân thay người ở phút 62 trong trận thua 0-1 trên sân nhà trước Nottingham Forest. Vào ngày 7 tháng 10, Palmer ghi bàn thắng đầu tiên cho Chelsea, từ một quả phạt đền trong chiến thắng 4–1 trên sân khách trước Burnley. Sang tháng 11, Palmer có một pha kiến ​​tạo cho Nicolas Jackson trong chiến thắng 4-1 trên sân khách trước Tottenham Hotspur và một bàn thắng muộn vào lưới câu lạc bộ cũ Manchester City trong trận hòa 4–4 trên sân nhà.

Trong trận đấu cuối cùng của Chelsea năm 2023, trên sân khách trước Luton Town , Palmer đã ghi hai bàn lần đầu tiên trong sự nghiệp, đồng thời kiến ​​tạo cho Noni Madueke ghi bàn, giúp Chelsea giành chiến thắng 3–2. Nhờ màn trình diễn của mình trong tháng 12, bao gồm bốn bàn thắng và hai pha kiến ​​tạo, Palmer đã được đề cử cho giải Cầu thủ xuất sắc nhất tháng của Premier League và bàn thắng thứ hai của anh vào lưới Luton Town đã được đề cử cho giải Bàn thắng của tháng tại Premier League . Vào ngày 23/1/2024, Palmer ghi thêm một cú đúp nữa, lần này là ở bán kết Cúp EFL , khi Chelsea đánh bại Middlesbrough với tỷ số 6–1 (tổng tỷ số 6–2) để tiến vào trận chung kết tại Sân vận động Wembley . Anh đã ghi bàn thắng thứ mười của mình tại giải đấu vào ngày 4/2, trở thành cầu thủ đầu tiên của Chelsea ở độ tuổi 21 trở xuống ghi được 10 bàn thắng tại Premier League trong một mùa giải, tuy nhiên, trận đấu đã kết thúc với thất bại 4–2 trên sân nhà trước Wolverhampton Wanderers . Vào ngày 29/2, Palmer được vinh danh là Cầu thủ trẻ xuất sắc nhất năm của nam tại Giải thưởng bóng đá London 2024. Bằng cách kiến ​​tạo cho bàn thắng của Axel Disasi vào lưới Brentford vào ngày 2/3, Palmer đã trở thành cầu thủ Chelsea có nhiều đóng góp vào bàn thắng nhất trong một mùa giải ở độ tuổi 21 trở xuống, vượt qua thành tích 16 đóng góp của Arjen Robben trong mùa giải 2004–05 .

Vào ngày 4/4, Palmer được đề cử giải Cầu thủ xuất sắc nhất tháng của Premier League lần thứ hai sau những màn trình diễn ấn tượng hơn trong suốt tháng 3 khi anh ghi được ba bàn thắng và có hai pha kiến ​​tạo. Sau đó trong ngày, anh đã ghi được hat-trick đầu tiên trong sự nghiệp , bao gồm hai bàn thắng được ghi vào thời gian bù giờ để hoàn thành cuộc lội ngược dòng của Chelsea trong chiến thắng 4–3 trên sân nhà trước Manchester United. Bằng cách đó, Palmer đã trở thành cầu thủ thứ 200 trong lịch sử Premier League ghi được hat-trick , cũng như là cầu thủ trẻ thứ ba làm được điều này trong một trận đấu với Manchester United. Màn trình diễn của Palmer trong trận đấu này đã giúp anh trở thành người thứ ba nhận được giải thưởng Cầu thủ thay đổi cục diện trận đấu của mùa giải tại Premier League . Vào ngày 15/4, Palmer ghi hat-trick thứ hai trong sự nghiệp vào lưới Everton trong chiến thắng 6–0 trên sân nhà, kết thúc trận đấu với 4 bàn thắng và do đó trở thành cầu thủ Premier League thứ 31 ghi được 4 bàn thắng trở lên trong một trận đấu tại giải đấu, và là cầu thủ Chelsea đầu tiên ghi được hai hat-trick Premier League cho câu lạc bộ trong một mùa giải. Hơn nữa, anh trở thành cầu thủ thứ ba trong lịch sử câu lạc bộ ghi được ít nhất 20 bàn thắng trong mùa giải đầu tiên của mình, sau Jimmy Floyd Hasselbaink vào năm 2000–01 và Diego Costa vào năm 2014–15.

Vào ngày 5/5, Palmer ghi bàn trong chiến thắng 5–0 trên sân nhà trước West Ham United , trở thành cầu thủ thứ ba trong lịch sử Premier League ở độ tuổi 21 trở xuống đóng góp vào 30 bàn thắng trở lên trong một mùa giải duy nhất. Sau đó, Palmer được vinh danh là Cầu thủ xuất sắc nhất mùa giải của Chelsea cũng như Cầu thủ Chelsea xuất sắc nhất mùa giải , do người hâm mộ bình chọn, cũng như được trao giải Cầu thủ xuất sắc nhất tháng của Premier League vào tháng 4 năm 2024 và giải Bàn thắng của tháng của Premier League cho bàn thắng đầu tiên của anh ấy vào lưới Everton, trở thành cầu thủ đầu tiên trong lịch sử Chelsea và là cầu thủ thứ năm nói chung giành giải Cầu thủ xuất sắc nhất tháng và Bàn thắng của tháng trong cùng một tháng. Vào ngày 11/5, Palmer đã có lần ra sân thứ 50 tại Premier League, đánh dấu dịp này bằng một pha kiến ​​tạo trong chiến thắng 3–2 trên sân khách trước Nottingham Forest. Nhờ đó, Palmer đã trở thành cầu thủ thứ 13 trong lịch sử Premier League ghi được 20 bàn thắng trở lên và có 10 pha kiến ​​tạo trở lên trong cùng một mùa giải.

Palmer kết thúc mùa giải với tổng cộng 27 bàn thắng và 15 pha kiến ​​tạo trên mọi đấu trường; anh là cầu thủ có nhiều pha tham gia ghi bàn nhất (33: 22 bàn thắng, 11 pha kiến ​​tạo) trong số bất kỳ cầu thủ nào khác trong mùa giải Premier League 2023–24 . Anh đã giành giải Cầu thủ trẻ xuất sắc nhất mùa giải của Premier League và giải Cầu thủ xuất sắc nhất năm của PFA cho mùa giải đầu tiên xuất sắc của mình tại Chelsea, đồng thời được đề cử giải Cầu thủ xuất sắc nhất mùa giải của Premier League và giải Cầu thủ bóng đá xuất sắc nhất năm của FWA . Bàn thắng quyết định của tháng vào lưới Everton vào tháng 4 đã được đề cử giải Bàn thắng của mùa giải tại Premier League .

2024–25: Mùa giải thứ hai ở Tây London

Vào tháng 8 năm 2024, Palmer đã ký hợp đồng mới có thời hạn chín năm với Chelsea, giữ anh ở lại câu lạc bộ cho đến ít nhất là tháng 6 năm 2033. Vào ngày 20/8, Palmer đã được trao giải Cầu thủ trẻ xuất sắc nhất năm của PFA . Năm ngày sau, Palmer ghi bàn thắng đầu tiên trong chiến dịch vào lưới Wolverhampton Wanderers tại Sân vận động Molineux . Bàn thắng này sau đó đã giành được giải thưởng Bàn thắng của tháng tại Premier League vào tháng 8 năm 2024, giúp Palmer trở thành cầu thủ đầu tiên trong lịch sử Premier League giành giải thưởng này hai lần liên tiếp trong hai mùa giải. Trong hiệp hai của cùng một trận đấu, Palmer đã kiến ​​tạo cho cả ba bàn thắng của Noni Madueke, giúp Chelsea đánh bại Wolves với tỷ số 6–2, với màn trình diễn này là chất xúc tác giúp anh được đề cử cho giải thưởng Cầu thủ xuất sắc nhất tháng tại Premier League vào tháng 8 năm 2024.

Trong chiến thắng 4–2 trước Brighton & Hove Albion vào ngày 28 tháng 9, Palmer đã ghi 4 bàn thắng, một trong số đó là quả phạt đền, trong hiệp một, trở thành cầu thủ đầu tiên đạt được thành tích này tại Premier League. 

2.2. Sự nghiệp tại ĐTQG Anh

Palmer từng là thành viên của ĐT U17 Anh tham dự Giải vô địch U17 châu Âu 2019. Vào ngày 27 tháng 8 năm 2021, Palmer được triệu tập vào ĐT U21 Anh. Anh đã ghi một bàn thắng trong trận ra mắt trong chiến thắng 2–0 trước Kosovo ở vòng loại Giải vô địch U21 châu Âu năm 2023.

Vào ngày 14 tháng 6 năm 2023, Palmer cùng U21 Anh tham dự Giải vô địch U21 châu Âu 2023; một giải đấu mà Những chú sư tử trẻ cuối cùng đã lên ngôi vô địch.

Vào ngày 13 tháng 11 năm 2023, Palmer lần đầu  được  gọi lên ĐTQG Anh để chuẩn bị cho các trận đấu vòng loại UEFA Euro 2024 gặp Malta và Bắc Macedonia. Anh ra mắt vào ngày 17 tháng 11 khi vào sân thay người ở phút thứ 61 trong chiến thắng 2–0 của ĐT Anh trước Malta tại Sân vận động Wembley.

Vào tháng 5 năm 2024, anh được chọn vào đội hình sơ bộ gồm 33 người cho UEFA Euro 2024. Palmer có trận ra quân đầu tiên cho đội tuyển Anh và ghi bàn thắng quốc tế đầu tiên trong trận giao hữu trước giải đấu với Bosnia và Herzegovina vào ngày 3/6. Ba ngày sau, anh có tên trong đội hình 26 người cuối cùng của huấn luyện viên Gareth Southgate cho giải đấu. Anh ra mắt giải đấu với tư cách là cầu thủ dự bị trong trận đấu cuối cùng của Bảng C của Anh với Slovenia vào ngày 25/6. Năm ngày sau, anh lại xuất hiện với tư cách là cầu thủ dự bị, thay thế Kieran Trippier ở phút thứ 66 trong chiến thắng 2–1 trong hiệp phụ của Anh trước Slovakia ở vòng 16 đội .

Palmer vào sân thay người ở phút thứ 78, thay thế Ezri Konsa trong trận tứ kết gặp Thụy Sĩ và ghi bàn thắng đầu tiên trong loạt sút luân lưu giúp Anh giành chiến thắng 5–3. Vào ngày 10/7, Palmer vào sân từ băng ghế dự bị cùng Ollie Watkins ở phút thứ 81 để kiến ​​tạo cho bàn thắng quyết định của Watkins ở phút thứ 90 của trận bán kết gặp Hà Lan , đưa Anh vào trận chung kết Euro thứ hai liên tiếp và là trận chung kết đầu tiên của họ trên đất nước ngoài. Bốn ngày sau, vào ngày 14/7, Palmer vào sân từ băng ghế dự bị ở phút thứ 70 của trận chung kết gặp Tây Ban Nha và ghi bàn gỡ hòa cho Anh từ ngoài vòng cấm chỉ ba phút sau đó. Tuy nhiên, Tây Ban Nha đã giành chiến thắng với tỷ số 2–1.

3. Thống kê sự nghiệp thi đấu

3.1. Thống kê sự nghiệp CLB

- Tính đến trận đấu diễn ra ngày 16/12/2024

3.2. Thống kê sự nghiệp quốc tế

- Tính đến trận đấu diễn ra ngày 13/10/2024

Danh sách bàn thắng cho ĐTQC

4. Danh hiệu Cole Palmer

4.1. Danh hiệu CLB

Manchester City

• Giải bóng đá Ngoại hạng Anh : 2022–23
• Cúp FA : 2022–23
• Giải vô địch bóng đá các câu lạc bộ châu Âu : 2022–23
• Siêu cúp UEFA : 2023

Chelsea

• Á quân EFL Cup : 2023–24

4.2. Danh hiệu thi đấu quốc tế

U21 Anh

• UEFA European Under-21 Championship: 2023

Anh

• Á quân Giải vô địch bóng đá châu Âu UEFA : 2024

4.3 Danh hiệu Cá nhân

• Cầu thủ nam xuất sắc nhất năm của Anh : 2023–24
• Giải thưởng bóng đá London Cầu thủ trẻ xuất sắc nhất năm: 2024
• Cầu thủ xuất sắc nhất mùa giải của Chelsea : 2023–24
• Cầu thủ xuất sắc nhất mùa giải của Chelsea: 2023–24
• Cầu thủ xuất sắc nhất tháng của Premier League : Tháng 4 năm 2024
• Bàn thắng của tháng tại Premier League : Tháng 4 năm 2024, Tháng 8 năm 2024
• Cầu thủ trẻ xuất sắc nhất mùa giải của Premier League : 2023–24
• Cầu thủ xuất sắc nhất năm của PFA do người hâm mộ bình chọn : 2023–24
• Cầu thủ trẻ xuất sắc nhất năm của PFA : 2023–24
• Cầu thủ thay đổi cục diện của mùa giải Ngoại hạng Anh : 2023–24
• Đội bóng hâm mộ Ngoại hạng Anh của mùa giải: 2023–24
• Đội hình tiêu biểu của mùa giải Fantasy Premier League: 2023–24