Penelope s-a nascut in Madrid, pe 28 aprilie 1974, intr-o familie cu trei copii.
A studiat baletul clasic timp de 9 ani in Madrid si a urmat cursuri de dans cu cei mai mari coregrafi din Spania. Insa, cand a implinit 15 ani, a castigat o auditie la o agentie de talente, devansand peste 300 de alte fete. Atunci a hotarat sa urmeze o cariera in actorie.

Primele filme importante ale lui Penelope au fost Jamón, Jamón si Belle Époque, iar in 1999 a inceput colaborarea sa cu marele regizor Pedro Almodóvar, in productia Todo sobre mi madre, care a castigat Oscar-ul pentru Cel mai bun Film Strain.
In 2008 a jucat in productia lui Woody Allen, Vicky Cristina Barcelona, pentru care a luat Oscar pentru cea mai buna actrita intr-un rol secundar, devenind al doilea actor de origine spaniola care a castigat Oscar-ul, dupa iubitul ei, Javier Bradem (el luase Premiul Academiei pentru No Country for Old Men, cu un an in urma).

Din 2007 Penelope formeaza un cuplu cu actorul Javier Bardem, alaturi de care a jucat in 3 filme: Jamón, Jamón, Live Flesh si Vicky Cristina Barcelona. Cei doi s-au casatorit anul acesta in Bahamas. Ceremonia s-a desfasurat in prezenta unui grup mic de rude si prieteni.