Tendo corrido nos karts MiniMax em 2004, Jolyon Palmer progrediu rapidamente na carreira, correndo no Troféu de Outono de T-Cars Britânico em 2005. Apesar de inexperiente, o piloto mostrou ritmo no início, e obteve o 5.º lugar final.
Jolyon Palmer subiu ao campeonato principal de T-Cars em 2006, onde correu contra o seu rival no Campeonato de Fórmula Dois da FIA em 2009, Alex Brundle. Ao longo da temporada, obteve uma 'pole' e quatro pódios, acabando o campeonato em 5º lugar. Regressou ao Troféu de Outono de T-Cars, arrasando a concorrência com 4 vitórias e a vitória do campeonato.
No início de 2007, Jolyon Palmer competiu no campeonato principal de T-Cars por duas corridas, ganhando ambas. Contudo, passou para as corridas em monolugares, para o campeonato de Fórmula Palmer Audi. Demonstrou rapidamente o seu ritmo, sendo 4º na segunda corrida em Silverstone, antes de se tornar o mais jovem piloto na história da FPA's a ganhar uma corrida, no circuito Brands Hatch Indy. Apesar de correr só um terço das corridas em 2007, Jolyon Palmer obteve o décimo lugar final, tendo mais uma vitória e quatro pódios.
Jolyon Palmer esteve novamente na Fórmula Palmer Audi em 2008, onde obteve nove classificações nos cinco primeiros nas primeiras nove corridas. Esta série incluiu uma ronda tripla excelente em Spa-Francorchamps, onde venceu uma corrida e terminou as outras duas no segundo lugar. Na 10ª ronda não acabou, mas a seguir obteve três classificações seguidas no segundo lugar, na ronda dupla no circuito de Brands Hatch GP e em Snetterton. Numa incrível temporada, Jolyon Palmer falhou a vitória na final ronda, antes de acabar no 3º lugar final.
Jolyon Palmer também participou no Troféu de Outono de Fórmula Palmer Audi em 2008, correndo contra os seus adversários no Campeonato de Fórmula Dois da FIA em 2009 Tobias Hegewald e Jack Clarke. Acabou o Troféu em 3º, com 3 pódios, um 4º e um 5º lugar nas 6 corridas disputadas.
Palmer ficou na 14° posição no seu primeiro treino classificatório na Fórmula 1, chegando a frente a do seu companheiro Kevin Magnussen.[4]
Em 02 de outubro de 2016, Palmer conquistou seus primeiros pontos na Fórmula 1 ao terminar em 10.º lugar no Grande Prêmio da Malásia de 2016.[5]
Em 09 de Novembro de 2016, a Renault confirmou a permanência de Palmer e teve como companheiro de equipe, Nico Hülkenberg que havia confirmado o acordo com o piloto alemão meses antes.[6]
Na temporada de 2017 teve sua primeira passagem pela F1 descontinuada, participando do seu último GP no circuito do Japão.
Por ter uma passagem pela F1 um pouco conturbada, marcada por vários incidente/acidente, o britânico acabou sendo substituído pelo Espanhol Carlos Sainz Jr..
Jolyon terminou em 17° no campeonato, marcando 8 pontos, tendo nesse ano um evento marcante com o piloto Fernando Alonso onde o espanhol interpretou como "karma" a quebra da Renault amarela do britânico, evento esse que aconteceu no GP de Monza.
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