Palomino thumb|Athlon XP „Palomino” 1700+ thumb|Athlon XP Palomino Trzecia wersja Athlona, a pierwsza Athlona XP – „Palomino” – została wypuszczona 14 maja 2001. Dołączono w niej obsługę instrukcji SSE (obsługiwanych do tej pory tylko przez Pentium III) nazwanych przez AMD 3DNow! Professional. Pierwsze modele były taktowane zegarami od 1333 do 1733 MHz. Główne zmiany polegały na optymalizacji jądra procesora i spowodowały mniej więcej 10% poprawę wydajności w porównaniu z Thunderbirdem o takiej samej częstotliwości. Zmniejszono także nieco pobór prądu, umożliwiając w ten sposób zwiększenie szybkości taktowania.
Poważnym problemem Palomino był fakt, że generowały one bardzo dużo ciepła. Pierwsza wersja Athlona MP (do zadań wieloprocesorowych SMP) miała bardzo duże kłopoty związane z emisją ciepła.
Wydajność Athlona XP była wyliczana na podstawie systemu PR rating, który porównywał wydajność XP do Pentium 4. Ponieważ Athlon XP miał wyższy stosunek IPC niż Pentium 4 (i około 10% wyższy niż Thunderbird), był bardziej wydajny pomimo niższych częstotliwości taktowania.