Sus padres la tuvieron cuando sólo contaban con veinte años de edad y le pusieron Penélope por una canción de Joan Manuel Serrat. Su padre se dedica al comercio y su madre es peluquera. Su hermana es bailarina de la compañía de Joaquín Cortés y su hermano va para futbolista.Tiene una formación muy completa: estudio Formación Profesional, cuatro años de interpretación con Cristina Rota, nueve años de ballet clásico, tres años de ballet español y un curso de danza jazz con Raúl Caballero. Su carrera artística se inicia en la televisión con su participación en una "Serie Rosa" para TVE, en "Crónicas Urbanas" de Ricardo Palacios, "Ella y él" de Jaime Chávarri, "Framed" con Timothy Dalton y "La quinta marcha" en Tele 5. También hizo spots publicitarios y un videoclip con el grupo musical Mecano. Será precisamente este último trabajo el que dará comienzo a su relación sentimental con Nacho Cano con el que también colaboró en su primer disco en solitario.
Su primera película fue El laberinto griego (1991) y luego vendrían Jamón, jamón (que destaca por ser la más polémicas de sus películas) y Belle Epoque (1994) que será la que la lance al estrellato internacional. No hay que olvidar que el filme de Fernando Trueba consiguió un oscar a la mejor película de habla no inglesa. Entre sus últimos trabajos encontramos La niña de mis ojos donde vuelve a colaborar con Trueba y Volaverunt de Bigas Luna.
Aunque afirma no sentir predilección por ningún director nacional (le gustan todos con los que ha trabajado) y en el plano internacional se decanta por Stephen Frears, Martin Scorsese o Bernardo Bertolucci. Su actor español preferido es Javier Bardem y entre ellas se queda con Victoria Abril.
Penélope es muy amiga de sus amigos y entre este selecto grupo se encuentra la actriz Aitana Sánchez- Gijón a la que adora (según dice ella misma). Entre sus gustos musicales además de la música clásica encontramos a Ennio Morricone, The Who, Nacho Cano y Prince. Su libro preferido el "El guardián en el centeno" de Salinger (el autor que junto a Kafka más le gusta) aunque también lee poesía y teatro.Sus amigos la llaman Pe, le gusta llevar ropa cómoda, no fuma ni bebe alcohol (la Coca-Cola es su bebida favorita), le encanta la comida japonesa y los animales (tiene una gata llamada Aitana).
Actualamente compagina el cine nacional con algunos proyectos internacionales.
