Née à Madrid le 28 Avril 1974, la comédienne se destinait tout d'abord à une carrière de chanteuse. Après quelques apparitions dans des séries télé, le réalisateur José Juan Bigas Luna lui offre le rôle (déshabillé) de Silvia dans son long métrage "Jamon Jamon", un rôle qui la propulsera en haut de l'affiche en 1993.
Ensuite, elle tournera sous la direction d'Alejandro Amenabar pour le film "Ouvre les yeux". Mais c'est surtout grâce à "Tout sur ma mère" de Pedro Almodovar, dans lequel elle interprète une bonne sœur, que la comédienne rencontra un grand succès.
On la retrouve, dans des superproductions américaines (telles que "Vanilla Sky" avec Tom Cruise, "Capitaine Corelli" avec Nicolas Cage) et des films indépendants européens ("Fanfan la Tulipe", "A corps perdus"). Elle tourne en Espagne, aux Etats-Unis, en France et est devenue en quelques années une actrice internationale qui a travaillé avec les plus grands.
Sa filmographie est des plus éclectiques, et Penelope n'hésite pas à tourner, pour le plaisir de retrouver certains acteurs et réalisateurs qu'elle apprécie. Le 12 juillet 2006, elle est décorée par le ministre de la culture et de la communication de l'insigne de Chevalier des Arts et des Lettres et quelques mois plus tard, au festival de Cannes, elle reçoit le prix d'interprétation féminine pour sa performance dans Volver d'Almodovar.
En 2009, elle retrouve son réalisateur fétiche pour le drame Etreintes brisées, sélectionné en compétition officielle au Festival de Cannes 2009. Elle y tient un des rôles principal, celui de Lena, qui forme un couple avec Mateo Blanco (Lluis Homar).