Ya en el Mundial, solamente jugó ante Grecia, por el último partido del grupo, donde Argentina ya ganaba por 1-0 y se encontraba clasificado a la siguiente fase.
Palermo ingresó por Diego Milito y le bastaron 10 minutos para convertir un gol histórico para su carrera deportiva, luego de 10 años sin vestir la Albiceleste y tras el recordado partido en que erró tres penales. Sólo, a un minuto del final, llegó el gol de Palermo para coronar una carrera plagada de luchas y victorias. Pero más allá del recordado gol, Martín contó la increíble y conmovedora anécdota de lo que ocurrió cuando ingresó en el vestuario tras el encuentro.