Desde pequena, Penélope foi atraída pelo mundo da arte. Iniciou sua carreira artística na televisão e participou de diversos filmes em seu país natal. Estudou por três anos na escola de arte dramática de Cristina Rota, ampliando seus conhecimentos em Nova York e Londres. A fama mundial veio com o filme “Tudo Sobre Minha Mãe”, de Pedro Almodóvar (diretor teria uma longa parceria e faria vários outros filmes). É vegetariana e adepta do budismo. Trabalhou com Woody Allen em “Vicky Cristina Barcelona”, filme que deu para a atriz o Oscar, um BAFTA e um Independent Spirit Awards de Melhor Atriz Coadjuvante.