Rendu célèbre par son travail avec Michelangelo Antonioni (Le Désert rouge, Blow-up et Identification d'une femme), Di Palma est l'un des plus célèbres chefs-opérateurs du cinéma mondial. Il collabore dans les années 60 et 70 avec les plus fameux cinéastes italiens, de Scola (Drame de la jalousie) à Bernardo Bertolucci (La Tragedie d'un homme ridicule) en passant par Pietro Germi (Divorce à l'italienne).

Carlo di Palma deviendra par la suite le chef-opérateur privilégié de Woody Allen, signant l'élégante photographie de douze de ses longs-métrages, parmi lesquels Hannah et ses soeurs (son premier film avec le cinéaste américain en 1987), Tout le monde dit I love you et Harry dans tous ses états, qui marque la fin de leur fructueuse collaboration, en 1997. Carlo di Palma, dont le neveu Dario Di Palma est lui-même chef-opérateur, s'essaye à la réalisation en 1972 avec Teresa la ladra, dans lequel il dirige l'égerie d'Antonioni, Monica Vitti.