Antonello Palombi stand als Hauptrolle in u.a. Carmen, Nabucco, Don Carlo, Aida, Tosca, Fedora, Norma, Manon Lescaut, Turandot, Mefistofele, Samson et Dalila, Fanciulla del West, Forza del Destino, Tabarro, Pagliacci, Otello, Andrea Chenier, Trovatore auf der Bühne.

Er sang an vielen bedeutenden Theatern wie der Deutschen Oper in Berlin, der Atlanta Opera, dem Teatro Regio in Turin, dem Teatro dell'Opera in Rom, der Bayerischen Staatsoper in München, dem La Fenice in Venedig, dem New National Theatre in Tokio, der Royal Albert Hall in London , Opéra Royal de Wallonie in Lüttich, Glyndebourne Opera Festival, Ungarische Nationaloper in Budapest, Teatro Sao Carlos in Lissabon, Teatro Bellini in Catania, Oper Kairo, Puccini Opera Festival in Torre del Lago, Oper Frankfurt, Opernhaus in Zürich, Seattle Opera, Hamer Hall in Melbourne, Dallas Opera, Palm Beach Opera, Michigan Opera in Detroit, Teatro San Carlo in Neapel, Cincinnati Opera, Monte Carlo Opera, Baltimore Opera und La Scala in Mailand.

Palombi arbeitete mit namenhaften Dirigent*innen wie 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 den jüngsten Engagements zählen: Mefistolefe in Pisa und Tokio; Il Tabarro an der Oper in Rom (R: Michieletto; C: Rustioni) und Neapel; Pagliacci, Andrea Chénier, Nabucco, Aida im San Carlo Theater in Neapel unter der Leitung von Pinchas Steinberg; La Forza del Destino und Otello in Genua unter Andrea Battistoni; Tosca in Ancona; Otello in Pert, Tokio, Klagenfurt und Athen; Aida an der MET in New York und in Neuseeland; Andrea Chénier in Peking; Madama Butterfly im Sferisterio in Macerata; Aida in einer Neuproduktion in Bologna (R: Micheli; c: Chaslin); Il Trovatore in Triest; Pagliacci am Teatro San Carlo in Neapel; Andrea Chénier am Gran Teatre del Liceu in Barcelona; unter Steinberg Tosca am Teatro Lirico in Cagliari; Turandot in Bologna und Marseille; Mefistofele in Stuttgart; Pagliacci in Sassari und Puccinis Messa di Gloria in Treviso.

Am Staatstheater Mainz sang er in Manon Lescaut die Partie des Renato des Grieux, stand als Canio in Pagliacci (Der Bajazzo) und als Otello in der gleichnamigen Oper auf der Bühne.