11세 때 고아가 된 팔레스트리나는 로마의 산타 마리아 마지오레 성당 부속 합창학교에서 브뤼멜, 조스캥 등 프랑스-플랑드르 악파의 음악을 공부했다. 1544년부터 고향인 팔레스트리나에서 오르가니스트로 일했고 1547년에 로크레지아 고리와 결혼하여 3명의 자녀를 두었다. 1550년에 팔레스트리나의 주교인 조반니 마리아 델 몬테 추기경이 새로운 교황으로 선출되어 율리우스 3세로 즉위했다.

그가 즉위한 후 가장 먼저 한 일 가운데 하나는 팔레스트리나를 성 베드로 성당의 줄리아 예배당 악장으로 앉히는 것이었다. 로마에서 교황의 총애 속에 활동하게 된 팔레스트리나는 1554년에 최초의 작품집인 <미사곡집 1권>을 출판하는 등 본격적인 작품활동을 개시했다. 그러나 1555년 율리우스 3세가 사망하고 반종교개혁자인 파울루스 4세가 즉위하면서 모든 결혼한 사람을 교황예배당에서 내쫓는 바람에 팔레스트리나도 교황청을 떠나야 했다.

로마 라테라노 성당 악장을 거져 1561년에 고향으로 돌아온 그는 5년동안 성 마리아마조레 성당에서 악장으로 일했다. 피우 4세 직속 교육기관인 세미나리오 로마노에서 음악을 가르친 후 다시 줄리아 성당의 합창장으로 복귀한 팔레스트리나는 이후 교황 아래서 평생토록 편안하게 음악 활동을 할 수 있었따. 르네상스 후반에 있어 팔레스트리나의 업적은 두드러진다.

그는 <교황 마르첼리의 미사>를 비롯하여 100개 이상의 미사곡을 남겼고, 400개에 달하는 모테트를 작곡했다. 이 외에도 수많은 애가, 마니피카트, 찬가를 남겼다.