Император хотел, чтобы юноша посвятил себя государственной деятельности, но Григорий, едва достигнув 20 лет, удалился на Святую Гору Афон и поступил послушником в монастырь Ватопед, где под руководством преподобного Никодима Ватопедского (память 11 июля) начал путь подвижничества и принял монашеский постриг. Через год ему явился в видении святой евангелист Иоанн Богослов и обещал свое духовное покровительство. Мать Григория вместе с его сестрами также приняла монашество.

После преставления преподобного Никодима инок Григорий проходил 8 лет свой молитвенный подвиг под руководством старца Никифора, а после кончины последнего перешел в Лавру преподобного Афанасия Афонского. Но через три года, стремясь к более высоким ступеням духовного совершенства, он поселился в небольшой отшельнической обители Глоссии. Настоятель этой обители Григорий стал учить юношу сосредоточенной духовной молитве — умному деланию, которое постепенно разрабатывалось и усваивалось монахами, начиная с великих пустынников IV века. После того, как в XI веке в трудах Симеона Нового Богослова (память 12 марта) подробное освещение получили внешние молитвенные приемы умного делания, оно было усвоено афонскими подвижниками. Опытное применение умного делания, требующее уединения и безмолвия, получило название исихазма (от греч. hsucia — покой, молчание), а сами практикующие его стали называться исихастами.

Из-за угрозы нападения турок вместе с братией святой Григорий перебрался в Солунь (Фессалоники), где тогда же был рукоположен в сан священника.

Свои обязанности пресвитера святой Григорий сочетал с жизнью отшельника. В субботу и воскресенье пастырь выходил к народу— совершал Богослужение и произносил проповеди. Иногда святой Григорий посещал богословские собрания городской образованной молодежи. Он собрал небольшую общину монахов-отшельников и руководил ею в течение 5 лет.

В 1331 году святой удалился на Афон и уединился в скиту святого Саввы, близ Лавры преподобного Афанасия. В 1333 году он был назначен игуменом Эсфигменского монастыря в северной части Святой Горы. В 1336 году святой вернулся в скит святого Саввы, где занялся богословскими трудами, которых не оставлял уже до конца жизни.

В 30-е годы XIV века в жизни Восточной Церкви назревали события, поставившие святителя Григория в ряд великих вселенских апологетов Православия.

Около 1330 года в Константинополь из Калабрии приехал ученый монах Варлаам. Вскоре Варлаам поехал на Афон, познакомился там с укладом духовной жизни исихастов и, на основании догмата о непостижимости существа Божия, объявил умное делание еретическим заблуждением. Варлаам вступил в спор с монахами и пытался доказать тварность Фаворского Света; при этом он не стеснялся поднимать на смех рассказы иноков о молитвенных приемах и о духовных озарениях.

Святитель Григорий, защищая учение о Божественном Фаворском Свете, говорил: «Напыщенные мирской и тщетной мудростью и не внимающие мужам, опытным в духовном учении, когда слышат о Свете, осиявшем Господа на горе Преображения и виденном Апостолами, думают видеть в нем нечто чувственное и сотворенное.., хотя Сам Просиявший Светом на Фаворе ясно показал, что этот Свет не сотворен, назвав его Царством Божиим (Мф. 16, 28)...

Везде присутствует Царь всяческих, и везде — Царство Его, так что пришествие Царства Его не означает перехода его с одного места на другое, но откровение его силой Божественного Духа...

Свет Преображения Господня не рождается и не исчезает и не подлежит чувствовательной способности и, хотя он был созерцаем телесными очами..., но таинники (ученики) Господа на то время перешли от плоти к духу, посредством изменения чувств, произведенного в них Духом...

Воссиял тот Неисповедимый Свет и таинственно явлен Апостолам... в то время, когда (Господь) молился; этим показано, что родительницей этого блаженного видения была молитва, что блистание происходило и являлось от соединения ума с Богом, и что оно подается всем тем, которые, при постоянном упражнении в подвигах добродетели и молитвы, устремляют ум свой к Богу. Истинную красоту свойственно созерцать только очищенным умом.

Господь же наш Иисус Христос Сам от Себя имел этот Свет. По этой причине Он и не имел нужды в молитве для того, чтобы осиять Божественным Светом Свою плоть, но только показал, откуда этот Свет нисходит на святых Божиих, и каким образом можно созерцать его: ибо написано, что и святые «просветятся, как солнце» (Мф. 13, 43), то есть, всецело проникнутые Божественным Светом узрят Христа... Мы веруем, что Он явил в Преображении не другой какой-либо свет, но только тот, который был сокрыт у Него под завесой плоти; этот же Свет был Свет Божеского естества, поэтому и Несотворенный, Божественный...»

Святой Григорий изложил свои доводы в богословском труде «Триады в защиту святых исихастов» (1338). К 1340 году афонские подвижники с участием святителя составили общий ответ на нападки Варлаама—так называемый «Святогорский томос».

На Константинопольском Соборе 1341 года в храме Святой Софии произошел спор святителя Григория Паламы с Варлаамом, сосредоточившийся на природе Фаворского Света. 27 мая 1341 года Собор принял положения святителя Григория Паламы о том, что Бог, недоступный в Своей Сущности, являет Себя в энергиях, как Фаворский Свет, которые обращены к миру и доступны восприятию, но являются не сотворенными.

Хотя учение Варлаама было осуждено как ересь и сам он предан анафеме, споры между паламитами и варлаамитами не закончились. К числу вторых принадлежали ученик Варлаама, болгарский монах Акиндин и Патриарх Иоанн XIV Каленас (1341–1347); к ним склонялся и Андроник III Палеолог (1323–1341). Акиндин выступил с рядом трактатов, в которых объявлял святителя Григория и афонских монахов виновниками церковных смут. Святитель написал подробное опровержение домыслов Акиндина. Но несмотря на это Патриарх отлучил святителя от Церкви (1344) и подверг темничному заключению, которое продолжалось три года. В 1347 году, когда Иоанна XIV на патриаршем престоле сменил Исидор (1347–1349), святитель Григорий Палама был освобожден и возведен в сан архиепископа Солунского. В 1351 году Влахернский Собор торжественно засвидетельствовал православность его учения.

За три года до кончины он вернулся в Солунь. Накануне его преставления ему явился в видении святитель Иоанн Златоуст. Со словами «В горняя! В горняя!» святитель Григорий Палама мирно преставился к Богу 14 ноября 1359 года.

В 1368 году он был канонизован на Константинопольском Соборе при Патриархе Филофее (1354–1355, 1362–1376), который написал житие и службу святителю.