Mając cztery lata odgrywała przed rodzicami (kupiec i fryzjerka) i rodzeństwem obejrzane w telewizji reklamy - marzyła o aktorstwie.
Matka chciała by córki zostały tancerkami. Tak więc pięcioletnia Penélope wraz z młodszą siostrą zaczęły uczęszczać na lekcje tańca. Przez dziewięć lat uczęszczała do szkoły baletowej w Madrycie. Przez kolejne trzy lata uczyła się flamenco. Uczęszczała też na lekcje tańca jazzowego.
W wieku 15 lat zgłosiła się na eliminacje, organizowane przez jedną z hiszpańskich agencji aktorskich i wygrała je.
Podpisała pierwszy kontrakt. Jej debiutem był thriller „El Laberinto griego" Rafaela Alcazara. To było w 1991 roku, od tamtej pory grała u wielu reżyserów np.: Pedro Almodóvar, Cameron Crowe, John Madden.
Od 2010 roku jej mężem jest Javier Bardem. Mają jedno dziecko.
Nagrody i nominacje:
Oscary:
2007 r. - nominacja w kategorii: najlepsza aktorka w filmie „Volver”;
2009 r. - wygrana w kategorii: najlepsza aktorka drugoplanowa w filmie „Vicky Cristina Barcelona”;
2010 r. - nominacja w kategorii: najlepsza aktorka drugoplanowa w filmie „Dziewięć”;
2022 r. - nominacja w kategorii: najlepsza aktorka w „Matki równolegle".
Festiwal Filmowy w Cannes:
2006 r. - wygrana w kategorii: najlepsza aktorka za rolę w filmie „Volver”.
Złote Globy:
2007 r. - nominacja w kategorii: najlepsza aktorka w dramacie za rolę w „Volver”;
2009 r. - nominacja w kategorii: najlepsza aktorka drugoplanowa w filmie „Vicky Cristina Barcelona”;
2010 r. - nominacja w kategorii: najlepsza aktorka drugoplanowa w filmie „Dziewięć”;
2019 r. - nominacja w kategorii: najlepsza aktorka drugoplanowa w serialu, serialu limitowanym lub filmie telewizyjnym za rolę w „American Crime Story".
Goya:
1993 r. - nominacja w kategorii: najlepsza aktorka w filmie „Szynka, szynka”;
1999 r. - wygrana w kategorii: najlepsza aktorka w filmie „Dziewczyna marzeń”;
2005 r. - nominacja w kategorii: najlepsza aktorka w filmie „Namiętność”;
2007 r. - wygrana w kategorii: najlepsza aktorka w filmie „Volver”;
2009 r. - wygrana w kategorii: najlepsza aktorka drugoplanowa w filmie „Vicky Cristina Barcelona”;
2010 r. - nominacja w kategorii: najlepsza aktorka w filmie „Przerwane objęcia”;
2013 r. - nominacja w kategorii: najlepsza aktorka w „Venuto al mondo";
2016 r. - nominacja w kategorii: najlepsza aktorka w „Mama";
2017 r. - nominacja w kategorii: najlepsza aktorka w „La reina de España".
Hollywoodzka Aleja Gwiazd:
2011 r. - przyznano gwiazdę na Hollywood Boulevard 6834 (w kategorii: film kinowy).