Los restos que aún se conservan de la primitiva necrópolis y del castro celtibérico fueron declarados en 1992 Bien de Interés Cultural, con la categoría de Zona Arqueológica. Pero el principal legado patrimonial de este asentamiento, hoy en el límite con la vecina provincia de Burgos, es posterior. El recinto urbano de Palenzuela, extendido en una loma a orillas del Arlanza, fue declarado Conjunto Histórico Artístico en 1966.
Muralla
De la antigua muralla defensiva que rodeaba este conjunto sólo queda algún tramo de muro y una de sus puertas, el Arco de la Paz, que constituía la principal puerta de acceso desde el esbelto puente de origen medieval construido sobre el Arlanza.
Castillo
De su viejo castillo medieval, también declarado Bien de Interés Cultural, solo quedan en pie los restos de dos torres y el basamento de una tercera.
Iglesia de San Juan Bautista
Construida entre los siglos XIV y XVII sobre otro templo anterior, resalta por sus proporciones y mantiene cierto aspecto de fortaleza.
Iglesia de Santa Eulalia
A pesar de su estado de ruina, la Iglesia de Santa Eulalia, uno de los símbolos de Palenzuela, presume de sus estilizadas formas góticas.
Arquitectura civil
Entre las estrechas y empinadas calles del primitivo núcleo medieval encontramos rincones de gran belleza que exhiben buenas muestras de arquitectura popular y culta como el entorno del ayuntamiento con su torre del reloj,reconvertido en Museo y algunas casonas, entre las que destacamos la de la calle Mariano Yagüez. Junto a ella, aprovechando un tramo de la antigua muralla que protegía la población, se ha construido un balcón panorámico desde donde se contempla una excelente vista panorámica de la ribera del Arlanza y del Arlanzón y de los valles cerrateños.
Convento de San Francisco
Antiguo monasterio gótico del siglo XIII emplazado al otro lado del caudaloso río Arlanza, se dice que Juan II convocó Cortes en el año 1425.
Ermita de Nuestra Señora del Río
Frente al convento de San Francisco se enclava esta ermita en un preciado escenario natural y muestra su gran interés arquitectónico. Un pequeño puente es el testimonio de la antigua calzada romana que discurría por las inmediaciones.
Otros datos de interés
- A principio de Octubre se celebra la Feria de la Cebolla de Palenzuela.
- En la Torre del Reloj del Ayuntamiento se encuentra el Museo de Palenzuela, en el que se hace un recorrido por su historia , pudiendose contemplar restos arqueológicos originales hallados en las inmediaciones.
- En 1346 el rey Alfonso XI desvía el camino real que comunica Burgos y Valladolid, y lo hace pasar por Palenzuela, sancionando con fuertes multas al que siguiese la ruta antigua.
- En Palenzuela, cerca de la iglesia de Santa Eulalia, existió una de las juderías más importantes de la provincia de Palencia.
- El 13 de Junio se celebra San Antonio, patrón del pueblo. El tercer domingo de septiembre se festeja la Virgen de Allende el Río. En Agosto hay una Semana Cultural.