Assistente operatore già a diciotto anni sul set di Ossessione diretto da Luchino Visconti, per un decennio lavorò con i migliori direttori della fotografia. Operatore alla macchina dal 1951, cinque anni più tardi diresse la fotografia del suo primo film, Lauta mancia, e in seguito ne firmò moltissimi altri, spesso di grande valore. Eccellente alle prese con il bianco e nero (da Kapò a La lunga notte del '43, da Divorzio all'italiana a Omicron, tutti diretti da prestigiosi registi è soprattutto con il colore che riesce ad esprimere tutta la sua arte. Con i due film di Antonioni Il deserto rosso e Blow-up raggiunge una tappa fondamentale nella carriera con sperimentazioni cromatiche di grande rilievo. Durante la lavorazione di Blow-up, girato agli Elstree Studios di Londra, Carlo Di Palma fece la conoscenza di Stanley Kubrick, che stava girando 2001: Odissea nello spazio nel teatro di posa a fianco di quello usato da Antonioni. Kubrick sospese le riprese per la famosa scena della centrifuga nell'astronave per aspettare che Di Palma finisse le riprese per Antonioni, in modo da poter affittare delle luci di sua invenzione per illuminare la scena. Le luci inventate da Di Palma erano molto innovative, e Kubrick non si lasciò perdere l'occasione di usarle. Dal 1983 lavorò con continuità negli Stati Uniti, dove incontrò il grande Woody Allen e stabilì con lui un proficuo sodalizio artistico che si prolungò nel tempo, fotografando tutti i suoi film, vincendo numerosi premi. Inoltre, nel 1980 cura la fotografia della ripresa televisiva di un'opera lirica poco conosciuta di Mozart, La Clemenza di Tito. Come regista diresse tre commedie negli anni settanta, tutte interpretate da Monica Vitti, che fu sua compagna di vita dal 1964 per diversi anni. La migliore di queste resta Teresa la ladra. In seguito si unì in matrimonio con la produttrice cinematografica Adriana Chiesa. Prima di morire, quasi ottantenne, stava lavorando come direttore delle luci per i Concerti Classici Estivi nelle basiliche della capitale. Ha ricevuto in carriera 4 Nastri d'Argento alla migliore fotografia per Deserto rosso, L'armata Brancaleone, Ombre e nebbia e La dea dell'amore, e nel 1968 una Nomination ai Bafta britannici per Blow up di Antonioni. Morto  nella sua casa romana, ed era malato da tempo.