Palotai a Győri ETO-val 1963-ban bajnoki címet nyert az NB I-ben. A magyar olimpiai válogatottba is bekerült, amellyel 1964-ben Tokióban olimpiai bajnoki címet nyert.

Pályafutása befejezése után nemzetközi labdarúgó-játékvezető lett. Játékvezetőként két olimpián, három világbajnokságon, és három Európa-bajnokságon fújta a sípot. Két alkalommal, 1976-ban és 1981-ben vezette a Bajnokcsapatok Európa Kupája döntőjét. A játékvezetői pályafutása befejezését követően 1985-ben lett a FIFA, és az UEFA játékvezető ellenőre, és húsz éven át járta a pályákat, figyelte és értékelte fiatalabb kollégái munkáját.

Két évtizeden át 1971-től a Győr-Moson-Sopron megyei Sportigazgatóság helyettes vezetője volt. Tizenhat éven át 1990 és 2006 között a Magyar Labdarúgó Szövetség Játékvezetői Testületének elnökhelyetteseként tevékenykedett.

Palotai Károly a magyar és a világ labdarúgó-játékvezetésének kiemelkedő alakja volt. A világon az egyetlen, aki játékosként olimpiai bajnok lett, és játékvezetőként is eljutott a legszűkebb elitbe.