In gioventù studiò lettere presso la scuola di S. Bernardo a Perugia, sotto Marco Antonio Bonciari. Poi nel Seminario Romano studiò filosofia e legge. Arrivò a Roma sotto il pontificato di Paolo V e fu eletto prefetto dei sollecitatori e referendario. Sotto Gregorio XV fu fatto fondatore della congregazione di propaganda e fu mandato come vicelegato a Ferrara.
Papa Urbano VIII lo mandò come collettore della Santa Sede Apostolica in Portogallo. Tornato a Roma fu eletto arcivescovo titolare di Tessalonica il 18 settembre 1628. Fu inviato come nunzio apostolico presso la corte austriaca dall'allora imperatore Ferdinando II. A 35 anni, il 19 novembre 1629, col titolo di San Silvestro in Capite, fu nominato cardinale dal pontefice Urbano VIII.
Successivamente fu dichiarato legato di Ferrara, dove del resto era già stato in precedenza in qualità di vice legato sotto Gregorio XV. Fece costruire nella città di Comacchio un canale che prese il suo nome “Canale Pallotta”. Fu protettore del Collegio Piceno, oggi noto col nome di Pio Sodalizio dei Piceni, dove lasciò un fondo a beneficio di giovani caldarolesi che si fossero applicati negli studi in Roma.
Nel 1666 fu eletto cardinale vescovo di Frascati. Intervenne a 4 conclavi, partecipando all'elezione di Innocenzo X, Alessandro VII e Clemente IX. Morì a Roma il 23 gennaio 1668 all'età di 74 anni. Il suo corpo fu trasportato nella Chiesa del Monastero di S. Caterina a Caldarola per essere seppellito insieme con quello dello zio Evangelista, ma egli volle che il suo cuore fosse riposto sotto una pietra speciale che ne porta l'effigie, nella Collegiata di San Martino a Caldarola.
Girolamo Barlesi, a cura di Rossano Cicconi, Memorie, Pollenza (MC), Tipografia San Giuseppe, 2003.
Vittorio Sgarbi (a cura di), Simone De Magistris. Un pittore visionario tra Lotto e El Greco, Marsilio, Venezia, 2007.
Antonio D'Amico, Giovanni Battista Pallotta e le tracce di una collezione dispersa, in Vittorio Sgarbi (a cura di), Le stanze del Cardinale. Caravaggio Guido Reni Guercino Mattia Preti, Cinisello Balsamo, Silvana Editoriale, 2009.