De 1946 à 1954, le Jury du Festival de Cannes décerne un "Grand Prix du Festival International du Film" au meilleur réalisateur. Les lauréats de ce Grand Prix se voient alors remettre une œuvre d'un artiste contemporain en vogue.

Fin 1954, à l'initiative de Robert Favre Le Bret, alors Délégué Général, le Conseil d'administration du Festival invite plusieurs joailliers à présenter des projets de palme, en référence aux armoiries de la ville de Cannes. Le dessin original retenu est celui de la créatrice de bijoux Lucienne Lazon. Un trophée est élaboré d'après son dessin, l'extrémité inférieure de la tige coupée en biseau forme un cœur et le socle est une sculpture en terre cuite de Sébastien.

En 1955, la première Palme d'or de l'histoire du Festival est attribuée à Delbert Mann pour son film Marty. De 1964 à 1974, le Festival revient temporairement à la formule du Grand Prix.

En 1975, la Palme d'or est remise à l'honneur et devient le symbole durable du Festival de Cannes. Attribuée chaque année depuis lors au réalisateur du meilleur long métrage de la Compétition officielle, elle est le dernier prix proclamé lors du Palmarès, par ordre d'importance croissante. Elle est remise dans un écrin de maroquin rouge pleine peau, capitonné de daim blanc.

Au début des années 80, la forme arrondie du socle qui supporte la Palme se transforme progressivement pour devenir pyramidale en 1984. En 1992, Thierry de Bourqueney redessine la Palme et son socle, désormais en cristal taillé main.

Pour la première fois de l’histoire du Festival, la Palme d'or est remise à une réalisatrice : la néo-zélandaise Jane Campion, pour La Leçon de piano. Gilles Jacob, président du Festival de 2001 à 2014, se souvient : « Jane est féministe, elle a fait remarquer avec plaisir qu’elle était la première femme récompensée. Je la surnomme Lady Palme d’or ! ». À ce jour, elle demeure la seule femme à avoir reçu ce trophée.

À l'occasion du cinquantième anniversaire du Festival en 1997, une "Palme des Palmes" est attribuée à Ingmar Bergman et remise en son absence à sa fille, Linn Ulmann, en présence de vingt-huit autres détenteurs du trophée. La "Palme des Palmes" sera plus tard appelée "Palme d’or d’honneur" ou "Palme d’honneur" et remise à cinq autres réalisateurs entre 2002 et 2015 (Woody Allen, Manoel de Oliveira, Clint Eastwood, Bernardo Bertolucci et Agnès Varda), ainsi qu’à cinq acteurs entre 2003 et 2016 (Jeanne Moreau, Catherine Deneuve, Jane Fonda, Jean-Paul Belmondo et Jean-Pierre Léaud).

En 1998, Theo Angelopoulos est le premier à remporter pour son film L’éternité et un jour la Palme d’or telle qu’on la connait aujourd’hui.
La Palme est modernisée sous la présidence de Pierre Viot par Caroline Scheufele, présidente du joaillier suisse Chopard qui fournit chaque année gracieusement le trophée. En or 18 carats, elle est coulée à la main dans un moule en cire, puis fixée sur un coussin unique de cristal en forme de diamant taille émeraude. Elle est aujourd'hui présentée dans un écrin de maroquin bleu.

La Palme est déclinée à partir du Palmarès du 53^e Festival de Cannes en deux versions miniatures pour le Prix d’interprétation féminine et le Prix d’interprétation masculine. Les premiers à les recevoir sont Björk (Dancer in the Dark de Lars von Trier) et Tony Leung Chiu-wai (In the Mood for Love de Wong Kar-wai).

En 2013, pour la première fois de l'histoire du Festival, la Palme d'or est attribuée à trois personnes : un réalisateur, Abdellatif Kechiche, et ses deux actrices principales : Adèle Exarchopoulos et Léa Seydoux, pour  La Vie d'Adèle - Chapitre 1 & 2. Il y a toujours une seconde Palme d’or en réserve en cas d’accident matériel, ou d’ex-aequo mais cette année-là, un trophée supplémentaire a donc dû être fabriqué.

Les Palmes sont livrées au Palais des Festivals, au dernier moment, quelques heures seulement avant la Cérémonie de clôture.

Ken Loach est le dernier réalisateur à avoir reçu la Palme d’or en 2016 pour son film I, Daniel Blake, présenté en Compétition au 69^e Festival. Ayant déjà reçu le célèbre trophée pour Le Vent se lève en 2006, il rejoint ainsi les sept autres réalisateurs du cercle envié des "double-palmés" : Francis Ford Coppola (1974 et 1979), Shoei Imamura (1983 et 1997), Bille August (1988 et 1992), Emir Kusturica (1985 et 1995), Jean-Pierre et Luc Dardenne (1999 et 2005) et Michael Haneke (2009 et 2012). A noter qu’avant la création de la Palme, le réalisateur Alf Sjöberg avait été récompensé par deux Grands Prix (pour Hets en 1946 et Mademoiselle Julie en 1951).

À l’occasion de la 70^e édition du Festival de Cannes, le trophée est spécialement redesigné pour un effet « givré ». La Palme d’or est exceptionnellement incrustée de 167 diamants « tels des poussières d'étoiles sur son feuillage et sa tige ». Les diamants proviennent d’un fournisseur certifié éthique par le Responsible Jewellery Council.