La lunghissima carriera di Carlo Di Palma iniziò quand'era ancora un adolescente. Il suo primo, indimenticabile, maestro fu Luchino Visconti sul set di Ossessione (1943) dove, appena diciassettenne, apprese il mestiere di aiuto operatore. Visse la storia del cinema italiano in prima persona calcando anche i set di Roma, città aperta (1945) e Ladri di biciclette (1948). Divenuto operatore dal 1951, esordì come direttore della fotografia cinque anni dopo con Lauta mancia.
Contribuì in seguito alla realizzazione di indimenticabili capolavori del nostro cinema, curando la fotografia, tra gi altri, di Kapò (1960), La lunga notte del '43 (1960), Divorzio all'italiana (1961), L'armata Brancaleone (1966) e dell'acclamato Blow-up (1966) di Michelangelo Antonioni; con il quale girò anche Deserto rosso nel 1964, suo primo film a colori, oltre a I tre volti (1965), Identificazione di una donna (1982) e il documentario Ritorno a Lisca Bianca (1983).
Collaborò anche con Elio Petri (L'assassino), Giuliano Montaldo (Tiro al piccione), Ugo Gregoretti (Omicron), Bernardo Bertolucci (La tragedia di un uomo ridicolo), Alberto Sordi (Amore mio aiutami), Sidney Lumet (L'appuntamento), Miklos Jancso (La pacifista), Ettore Scola (Dramma della gelosia - Tutti i particolari in cronaca), Dino Risi (Noi donne siamo fatte così) e Roberto Benigni (Il mostro).
Si concesse, tra il 1972 e il 1977, la regia di tre commedie con protagonista la sua compagna dell'epoca, Monica Vitti: Teresa la ladra, Qui comincia l'avventura (da lui anche sceneggiata) e Mimì Bluette... fiore del mio giardino.
Dopo aver diretto il documentario L'addio a Enrico Berlinguer, nel 1984 fu contattato per illuminare Hannah e le sue sorelle (1986) dando vita ad un radioso sodalizio con Woody Allen (dodici film insieme, da Hannah e le sue sorelle fino a Harry a pezzi, incluso anche il televisivo Don't Drink the Water del 1994).
Nel 2002 si è dedicato all'allestimento scenografico di luci e colori durante i concerti sinfonici nelle basiliche di Roma e di piazza della Signoria a Firenze.
Il suo talento artistico è stato spesso paragonato a quello di un pittore. In un'intervista, durante la consegna dell'Italia Cinema Life Achievement al Guggenheim Museum di New York nel 2001, disse che il suo "è un mestiere che assomiglia proprio a quello dei pittori. Loro hanno una tela bianca in cui debbono mettere tutto: i loro colori, le forme. La tela di un direttore della fotografia, invece, è piena di cose e noi dobbiamo, levare, togliere, fino a quando rimane soltanto quello che è importante per il racconto, finché non rimanga più nulla che possa distrarre l'occhio dalle cose essenziali".
Carlo Di Palma si è spento il 9 luglio 2004 nella sua casa romana all'età di 79 anni, consumato da un lungo periodo di malattia. Il suo ultimo lavoro è stato la collaborazione al documentario collettivo sull'universo no-global Un altro mondo è possibile.
1997 Premio Miglior fotografia per La dea dell'amore
1993 Premio Miglior fotografia per Ombre e nebbia
1967 Premio Miglior fotografia a colori per L'armata Brancaleone
1965 Premio Miglior fotografia a colori per Deserto rosso
2003 Premio Premio europeo per il cinema mondiale
1994 Fotografia
1993 Fotografia
1987 Fotografia
1983 Fotografia