Issu des rangs du célèbre centre de formation du FC Barcelone, La Masia, Sergi Palencia évoluait comme capitaine dans l'équipe réserve du grand club catalan quand il fut prêté aux Girondins de Bordeaux.
Avec le maillot au Scapulaire, il réalisa une saison globalement satisfaisante qui lui vaut notamment une convocation avec les U21 espagnols. N'ayant pas d'option d'achat, les dirigeants bordelais laissèrent le joueur quitter le club et retourner à Barcelone avant d'être transféré à l'AS Saint-Etienne.
Il ne resta qu'une seule saison dans le Forez avant de faire l'objet d'un prêt à Leganes en septembre 2020. Il revint figurer 6 mois dans l'effectif des Verts avant d'être transféré définitivement à Los Angeles, en février 2023.
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