2013 bytte han team till Carlin Motorsport, där han blev stallkamrat med Felipe Nasr.[1] Palmer tog tre två segrar och blev elva i mästerskapet.[1] Inför 2014 bytte han team för fjärde gången, denna gången till DAMS.[3] Han var på pallen under säsongens fem inledande lopp, trots den omvända startordningen. Efter det radade han upp stabila poängplaceringar, och tog tack vare en seger i Ryssland hem hela mästerskapet, trots att tre lopp återstod av säsongen.[1] Eftersom han blev mästare fick han inte fortsätta i serien året efter, och valde då att bli testförare i Formel 1-stalletLotus,[4] där han fick ersätta Romain Grosjean under flera fredagsträningar 2015. På fredagen inför USA:s Grand Prix 2015 bekräftades att Palmer skulle bli ordinarie förare i stallet 2016, då han kommer ersätta Romain Grosjean som flyttar till Haas F1 Team.[5]