Antonello Palombi spielte Hauptrollen in »Carmen«, »Nabucco«, »Don Carlo«, »Aida«, »Tosca«, »Fedora«, »Norma«, »Manon Lescaut«, »Turandot«, »Mefistofele«, »Samson und Dalila«, »La fanciulla del West«, »Die Macht des Schicksals«, »Il Tabarro«, »Pagliacci«, »Otello«, »Andrea Chenier« und »Il Trovatore«.
Er trat in vielen bedeutenden Theatern auf, etwa der Deutschen Oper Berlin, der Atlanta Opera, dem Teatro Regio Turin, dem Teatro dell’Opera Rom, der Bayerischen Staatsoper München, dem Teatro La Fenice Venedig, dem New National Theatre Tokio, der Royal Albert Hall London, der Opéra Royal de Wallonie Lüttich, beim Glyndebourne Opera Festival, der Ungarischen Nationaloper Budapest, dem Teatro Sao Carlos in Lissabon, dem Teatro Bellini in Catania, der Oper Kairo, dem Puccini Opera Festival in Torre del Lago, der Oper Frankfurt, dem Opernhaus Zürich, der Seattle Opera, der Hamer Hall in Melbourne, der Dallas Opera, der Palm Beach Opera, der Michigan Opera in Detroit, dem Teatro San Carlo in Neapel, der Cincinnati Opera, der Monte Carlo Opera, der Baltimore Opera und der Mailänder Scala.
Dirigiert wurde es unter anderem von Roberto Abbado, Yves Abel, Yuri Ahronovitch, Bruno Aprea, Marco Armiliato, Christian Badea, Maurizio Barbacini, Bruno Bartoletti, Andrea Battistoni, Giordano Bellincampi, Oleg Caetani, Daniele Callegari, Bruno Campanella, Giuliano Carella, Paolo Carignani, Riccardo Chailly, Patrick Davin, Claudio Desderi, Carlo Franci, Riccardo Frizza, Sir John Eliot Gardiner, Yoel Levi, Andrea Licata, Stephen Lord, Robert Lyall, Paolo Olmi, Renato Palumbo, Antonio Pirolli, Stefano Ranzani, Donato Renzetti, Nello Santi, Robert Spano, Pinchas Steinberg, Viekoslav Sutej, Marcello Viotti, Franz Welser-Möst, Dean Williamson und Marco Zambelli.
Zu seinen früheren Engagements zählen: »Mefistolefe in Pisa, Tokio, Stuttgart und Cagliari; »Il Tabarro« am Teatro in Rom und Neapel; »Pagliacci«, Andrea Chénier, »Nabucco«, »Aida« in Neapel, Kiel und Malta; »Tosca« in Neapel; »Die Macht des Schicksals« und »Otello« in Genua; »Tosca< in Ancona; »Otello« in Perth, Tokio, Klagenfurt und Athen; »Aida« an der Metropolitan Opera in New York, Neuseeland, Bologna, Kiel und Malta; »Andrea Chenier« in Peking; »Madama Butterfly« und »Pagliacci« in Macerata; »Der Troubadour« in Triest; »Andrea Chenier« in Barcelona; »Turandot« im Teatro Comunale di Bologna und in Marseille; »Tosca« und »Cecilia« von Refice im Teatro Lirico in Cagliari; »Pagliacci« in Sassari; »Manon Lescaut«, »Pagliacci«, »Otello« in Mainz; »Cavalleria Rusticana« und »Pagliacci« in Tokio und Nagoya; »Il Tabarro« und »La Forza del Destino« in Essen.
Geplant sind unter anderem: »La forza del destino« (Don Alvaro) in Essen; »La Gioconda« (Enzo Grimaldo) in Cagliari; »Cavalleria Rusticana« (Turiddu) in Prag; und »Turandot« (Calaf) in Mainz.