Родилась 28 апреля 1974 года в Мадриде, в семье мелкого торговца и парикмахерши. С детства увлекалась танцами и джазом, с девяти лет стала ученицей Испанской национальной консерватории, где занималась классическим балетом, позже всерьез увлеклась танцами, посещала различные танцевальные курсы. Четыре года училась искусству танца у Кристины Рота.
В 15 лет стала сниматься в телешоу и музыкальных клипах. В 1991 году состоялся кинодебют актрисы в фильме «Греческий лабиринт». После премьеры Пенелопа, которой в то время было 17 лет, была госпитализирована с диагнозом «нервное истощение».
В 1992 году вышла картина с её участием «Эра красоты», которая была отмечена национальными премиями и названа Американской киноакадемией лучшим иностранным фильмом. Но известность к Пенелопе пришла лишь в 1997 году, после съёмок фильмов «Живая плоть» и «Открой глаза».
В 1999 году Каннский фестиваль открылся фильмом Педро Альмодовара с её участием «Всё о моей матери», после чего актриса начинает сниматься с известными актерами, такими как Мэтт Дэймон («Неукротимые сердца»), Джонни Депп («Кокаин»), Николас Кейдж («Выбор капитана Корелли»), Сальма Хайек («Бандитки»), Том Круз («Ванильное небо») и др. С последним из вышеназванных у нее в течение трех лет (2001—2004) был роман.
