Сын прибалтийского барона А. Д. фон дер Палена. На военной службе находился с пятнадцати лет, начав ее рейтаром в лейб-гвардии Конном полку. Участвовал в войнах против Пруссии, Турции и с польскими конфедератами (Польское восстание 1794). С 1778 командовал Ямбургским карабинерным полком и в 1787 был произведен в генерал-майоры. Отличился в русско-турецкой войне 1787—1791, за штурм Очакова награжден орденом Святого Георгия 3-го класса. В 1792 стал правителем рижского наместничества и принял участие в переговорах о присоединении Курляндии к России. В 1795 назначен курляндским генерал-губернатором и произведен в генерал-поручики.
После восшествия на престол Павла I первоначально подвергся опале и в 1797 был «выключен из службы». Торжественная встреча П.И. Зубова, проезжавшего через Ригу, устроенная Паленом, навлекла на него гнев императора Павла I. В рескрипте от 26.2.1797 отмечалось: «с удивлением уведомился обо всех подлостях, вами оказанных в проезде князя Зубова через Ригу; из сего я и делаю сродное о свойстве вашем заключение, по коему и поведение Мое против вас соразмерно будет». В тот же день Пален был отставлен. Однако вскоре с помощью близкого к императору И. П. Кутайсова вернул доверие монарха, и в 1798 назначен петербургским военным губернатором, произведен в генералы от кавалерии. В 1799 возведен в графское достоинство.
Пользуясь неограниченной милостью Павла I, в течение трёх лет (1798—1801) Пален, кроме чина военного губернатора был назначен и начальником остзейских губерний, инспектором 6 военных инспекций, великим канцлером Мальтийского ордена, главным директором почт, членом совета и коллегии иностранных дел. Став одним из первых лиц государства и чувствуя шаткость своего положения при непостоянном и скором на гнев монархе, встал во главе заговора против Павла I. Обладая умом, энергией и решительностью, быстро выдвинувшись на первые роли, смог устранить верных престолу сановников, добиться согласия наследника Александра на переворот и привлечь в свои ряды многих высокопоставленных и опальных военных. Усыпив бдительность Павла I и держа все нити заговора в своих руках, он стал главным и хладнокровным организатором цареубийства 11 марта 1801.
В заговоре Пален играл двойную роль, стараясь в случае неудачи отойти от участия в нём. Добился от императора Павла I письменного повеления арестовать наследника и показал его Александру Павловичу, чтобы побороть его колебания в заговоре. Накануне цареубийства заговорщиками было выпито много вина, и многие выпили более, чем следует,в конце ужина, как говорят, Пален будто бы сказал: «Помните, господа: чтобы полакомиться яичницей, надо прежде всего разбить яйца!». На утро после убийства, 12 марта 1801 года, граф Пален первым сообщил Военной коллегии о кончине императора Павла и пригласил всех принять присягу в 8 часов утра на верность императору Александру. Однако он приобрёл непримиримого врага в лице императрицы Марии Фёдоровны, которая настояла на прекращении его карьеры. Уволен в отставку «за болезнями от всех дел» 1 апреля 1801 года с приказанием немедленно выехать в своё курляндское поместье Гросс-Экау.
Надежды Палена на то, что при Александре I он станет играть главенствующую роль, не сбылись, его уволили со службы и удалили в ссылку. Имя Палена всплыло в 1812 при обсуждении кандидатуры главнокомандующего всеми русскими армиями, действовавшими против Наполеона. Но особый комитет по избранию остановил свой выбор на М. И. Кутузове. Позже ряд декабристов рассматривали возможность привлечения его в правительство в случае успеха своего переворота.
В курляндских имениях Пален прожил четверть века, пережив императора Александра. Своим гостям он откровенно рассказывал подробности подготовки и осуществления «тираноубийства». Скончался 13 февраля 1826 года в Митаве без раскаяния в цареубийстве, заявляя, что совершил «величайший подвиг».