Из дворянского рода Паленов. Сын графа Ивана Петровича Палена (1784—1856), внук графа Петра Алексеевича Палена, возглавлявшего заговор против императора Павла I.
Окончил курс Санкт-Петербургского университета по юридическому факультету со степенью кандидата прав в 1853 году.
С 1855 года состоял на службе в канцелярии Государственного совета. Во время крымской войны состоял членом комиссии, посланной императрицей Марией Александровной в Севастополь, для возможного облегчения страданий раненых. Здесь Пален провел последние три месяца осады. Из восьми членов этой комиссии лишь трое вернулись из Севастополя: остальных там не стало. Сам Пален заразился и долго болел тифом.
Перейдя в Министерство внутренних дел, Пален занимал пост вице-директора департамента исполнительной полиции. В 1864 году назначен псковским губернатором. В 1867 году пожалован статс-секретарем и назначен сначала товарищем министра юстиции, а осенью того же года — министром юстиции. Управление Министерством юстиции графом Паленом, явившегося на смену Д. Н. Замятнину, который стремился к практическому осуществлению судебных уставов в том объеме, в каком они были задуманы, представляет собой ряд первых по времени отступления от уставов, отчасти фактических (назначение «исправляющих» должность судебных следователей вместо утвержденных в должности; прекращение открытия советов присяжных поверенных), отчасти формальных, то есть сопряженных с изменением самого текста законов (закон 9 мая 1878 года, ограничивший круг действий суда присяжных).
Оставив летом 1878 года пост министра юстиции, граф Пален сделан был членом Государственного совета. В 1879 году назначен членом особой комиссии для предварительного соображения дела о введении мировых судебных установлений в Прибалтийских губерниях; в этом же году участвовал в трудах комиссии при Государственном совете по вопросу о тюремном преобразовании. В 1883 году назначен председателем комиссии, учрежденной для пересмотра действующих о евреях в империи законов; в 1884 году назначен членом особой комиссии для составления проектов местного управления. Во время коронования императора Александра III состоял верховным церемониймейстером, а в 1896 году — верховным маршалом церемонии священного коронования императора Николая II и Александры Фёдоровны.
Был женат на Елене Карловне Толь. Их дети: