Eftir að hafa unnið EM U21 árið 2015 voru nokkrir liðir áhugasamir um sænska miðjumanninn. Hann flutti til ítalska liðsins Palermo fyrir 2 milljónir evra (plús 500.000 evra í viðbótum) og skrifaði undir fjögurra ára samning. Í "Rosanero" gekk hann til liðs við U21 liðsfélaga sinn Robin Quaison. Hann skoraði sitt fyrsta mark í Serie A þann 13. september 2015 gegn Carpi, leik sem endaði í jafntefli 2-2. Sex dögum síðar skoraði hann brace gegn Milan og jafnaði leikinn tvisvar áður en þeir töpuðu 2 til 3. Frábær byrjun Hiljemarks á tímabilinu vakti athygli stærri félaga. Hann var tengdur við ítalska risana Milan og Napoli fyrir mögulegan flutning, auk Premier League liða Norwich City, Southampton, Watford og West Ham. Að loknum 2015-16 Serie A
Á síðustu leiktíð virtist Palermo vera í hættu að falla niður. Í síðasta leik tímabilsins veitti Hiljemark Franco Vázquez mikilvæga aðstoð í 3-2 sigri gegn Verona til að tryggja Palermo sæti í 2016-17 Serie A tímabilinu. Hiljemark lék í öllum 38 leikjum Palermo á tímabilinu.