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, и позже всерьез увлеклась танцами, посещала различные танцевальные курсы. В 15 лет стала сниматься в телешоу и музыкальных клипах, и в 1991 году состоялся кинодебют актрисы в фильме «Греческий лабиринт».
Слава к Пенелопе пришла в 1997 году, после съёмок фильмов «Живая плоть» и «Открой глаза».
Знаковые работы:
1999 - Всё о моей матери
2001 - Кокаин
2001 - Нет вестей от Бога
2004 - Голова в облаках
2005 - Сахара
2006 - Возвращение
Награды: “Оскар” за роль в фильме “Вики. Кристина. Барселона” (2008) + другие 31 награда и 49 номинаций.
Хобби: подбирать беспризорных кошек
Семейное положение: в 2010 году вышла замуж за известного актера Хавьера Бардема.