Penelope je dobila ime po istoimenoj pjesmi Joana Manuela Serrate. Rođena je 1974. u radničkoj četvrti Madrida, otac Eduardo bio je sitni trgovac, a majka Encarna frizerka pa je mala Penelope upijala umjetnost preko televizije. Oponašala je reklame s TV-a, a glavna strast bio joj je ples. Devet godina vježbala je njegove klasične i moderne varijante. Napustila je srednju školu kad je pobijedila na audiciji i honorarno radila kao manakenka. Za vrijeme snimanja videospota za popularnu grupu Mecano upoznala je pjevača Nachoa Cana i hodala s njim do 1996.

Slavu u domovini stekla je vodeći dječji program na kanalu Tele 5, a zbog silnih obaveza morala je na odmor zbog iscpljenosti. Poput svake moderne španjolske glumice, kad je bila mala sanjarila je da će glumiti kod Almodovara. S četrnaest je vidjela njegov film 'Veži me!' i odlučila da će postati glumica te je bila u razmatranju za ulogu u erotskoj drami Bigasa Lune Las Edades de Lulú', ali je zbog mladosti suradnja odgođena.

Svejedno, fillmsku karijeru počela je s nekoliko sexy uloga. U 'The Greek Labyrinth' (1991) glumi zavodnicu detektiva koji traži nestalog plesača, a u TV trileru 'Framed' (1992) Linde La Plante glumila je curu plejboja i varalice Timothyja Daltona
Seksi i mlada, proslavit će se ulogama djevica koje sazrijevaju i traže prva iskustva. U 'Zlatnim vremenima' (1992) Fernanda Truebe glavni junak je vojni dezerter koji utočište nalazi kod umjetnika i njegove četiri kćeri, od kojih ona najmlađa (Penelope) nema ljubavnog iskustva, ali žudi da ga stekne. Film je postigao veliki uspjeh, osim velike gledanosti i devet Goya u Španjolskoj, osvojio je i Oscara za najbolji strani film.
Uskoro će i Bigas Luna odlučiti da je Penelope dovoljno zrela da glumi u njegovoj erotskoj drami 'Šunka, šunka' (1992). Erotske scene bile su zahtjevne za mladu Penelope koja je zbog toga imala i problema s dečkom, ali je film opet postigao veliku gledanost i brojne nagrade, a Cruz i njen partner u filmu Javier Bardem postaju španjolski seks simboli.                                                                                                     

Poslije nekoliko godina stjecanja iskustva u raznim europskim filmovima, opet je u istom filmu s Bardemom i konačno joj se ostvaruje san da glumi u Almodovarovu filmu.
Riječ je o 'Živom mesu' (1997) u kojem je Cruz dobila ulogu mlade prostitutke koja se porađa u autobusu. Ipak, pravi hit za Penelope će biti film još jednog velikog španjolskog redatelja, Alejandra Amenabara. U njegovom 'Otvori oči' (1997) glumi djevojku u koju se zaljubljuje glavni junak koji gubi vezu između stvarnosti i jave.
Kako često surađuje sa velikim španjolskim redateljima, opet glumi kod Truebe, u filmu 'The Girl Of Your Dreams' (1998) o španjolskim filmašima koji su prisiljeni raditi za Goebbelsa te konačno osvaja i Goyu za najbolju glumicu.

Kada Almodovar opet bude birao glumice za još jedan svoj ženski film, 'Sve o mojoj majci' (1999), izabrat će Penelope za ulogu trudne opatice koja je samo jedan od živopisnih likova filma koji je dobio Oscara. Bigas Luna je opet angažira, i to za ulogu premijerove ljubavnice u povijesnoj drami 'Volaverunt' (1999).
2000. je godina kada Penelope okreće novi list, glumi u svom prvom američkom filmu 'Woman On Top'. Opet je neodoljiva zavodnica koja, osim izgledom, privlači i neodoljivom kuhinjom.

U sljedećim američkim filmovima Penelope neće postići značajniji uspjeh, ali će surađivati s raznim poznatim glumcima - Mattom Damonom i Billy Bobom Thorntonom u 'Svim lijepim konjima' (2000), s Johnnyjem Deppom u 'Bijelom prahu' (2000), a s Christianom Baleom i Nicolasom Cageom u 'Mandolini kapetana Corellija' (2001) koja se pamti po katastrofalnim kritikama i lošoj gledanosti.
Vraća se u domovinu snimiti zabavnu komediju o vražicama i anđelicama 'Pakao zove Raj' (2001), gdje crnokosa Penelope, naravno, dobiva ulogu vražice. Godina 2001. bit će presudna za njenu američku karijeru.
Cameron Crowe snima 'Nebo boje vanilije', remake filma 'Otvori oči', te Penelope ponavlja svoju ulogu iz španjolske verzije, samo joj je partner ovoga puta - Tom Cruise. Osim sličnih prezimena, dvoje glumaca otkriva još toga zajedničkog te počinju vezu koja će puniti tabloide i učiniti Penelope poznatom u Americi.
Nakon što je bila optuživana da je preotela Matta Damona Winoni Ryder, sada je optužuju da je uništila Tomov brak s Nicole Kidman
Iako je film bio veliki hit, Penelope se povlači iz velikih produkcija i žiže javnosti te se vraća manjim ulogama ('Ispod maske', 2003) i europskim filmovima ('Fanfan la Tulipe', 2003). 'Bez pomaka' (2004) je njeno veliko glumačko postignuće, uloga djevojke u sadomazohističkoj vezi zahtijevala je da nauči talijanski te je Penelope očito uspjela jer je osvojila talijanskog Oscara, nagradu David di Donatello te nagradu publike na Europskim filmskim nagradama.
Glava u oblacima' (2004) je zanimljiva uloga u još jednoj povijesnoj drami, ali je uglavnom zapažena po lezbijskim scenama sa Charlize Theron
2004. znači i prekid veze za Tomom Cruiseom, a novi dečko je Matthew McConaughey kojeg je upoznala na snimanju pustolovnog filma u stilu Indiane Jonesa, 'Sahare' (2005), no prijateljstvo je bilo kratkog daha.

Penelope se očito pronalazi u avanturističkim komedijama jer poslije 'Sahare' i 'Fanfana' opet glumi u akcijskoj komediji. Naslov filma je 'Bandidas' (2006), a vestern komedija o pljačkašima banaka je specifična po tome što je riječ o paru pljačkašica, a partnerica u filmu joj je najbolja frendica Salma Hayek
Iako je, kao i Salma, zbog izgleda 'osuđena' da glumi fatalne ljepotice, a tabloidi je etiketiraju kao žderačicu muškaraca, javnost ne zna puno o njenom velikom društvenom angažmanu.
Penelope je, među ostalim, utemeljila i zakladu Sabera za pomoć djeci i bolesnima u Indiji
Dobila je nagradu za najbolju glumicu na Cannesu 2006. koju je podijelila s ostatkom ženske ekipe 'Volvera' (2006), još jedne Almodovarove priče o ženama, i to o ženama triju generacija. Taj uspjeh je potvrdio da joj ipak najbolje paše španjolska redateljska elita, a i da su snovi o glumi za Almodovara bili sudbinski.
Također je ušla u povijest kao prva španjolska zvijezda nominirana za Oscara za najbolju glavnu žensku ulogu. Te iste godine Cruz je potpisala dvomilijunski ugovor s kozmetičkom tvrtkom Lancome, čime je samo potvrdila svoj status modne ikone i uzora ženama diljem svijeta. Vrativši se na velika platna, pružila je odličnu komičnu izvedbu u Woody Allenovom 'Vicky Cristina Barcelona' (2008).  
Pripala joj je uloga prekrasne, talentirane, ali psihički pomalo nestabilne bivše žene briljantnog španjolskog umjetnika. Na privatnom planu započela je romantičnu vezu s kolegom glumcem Javierom Bardemom. Hvaljena od kritičara za svoju strastvenu, a opet tako dirljivu izvedbu, bila je nominirana za nagrade Zlatni globus, Screen Actors Guild i Independent Spirit Award, a najveća pohvala njenom radu jest primljeni Oscar na dodjeli 2009. godine u kategoriji najbolje ženske sporedne uloge. U 'Opsesiji' je pružila erotičnu interpretaciju zrele studentice koja se upušta u vezu s profesorom, a 'Slomljeni zagrljaji' su još jedna suradnja s Almodovarom zbog koje je taj gay filmaš priznao da je zaljubljen u Penelope - kao redatelj!

U srpnju prošle godine na tajnoj ceremoniji na Karibima udala se za kolegu Javiera Bardema. Upoznali su se davno, 1992. na snimanju filma Bigasa Lune Šunka, šunka' u kojem su glumili strastvene ljubavnike, no ljubav je planula 16 godina poslije, na snimanju filma Woodyja Allena 'Vicky Cristina Barcelona'. Par o svojoj vezi nikad nije govorio medijima, jedina informacija koju su otkrili o djetetu jest da će biti rođeno u SAD-u zbog dvojnog državljanstva.
Naime, 36-godišnja Penelope u klinici Cedars Sinai donijela je na svijet njihovo prvo dijete, istoga dana kad je Javier Bardem nominiran za nagradu Oscar za ulogu u meksičkom filmu 'Biutiful'. Tajanstveni supruzi nisu htjeli otkriti spol ni ime djeteta, iako se već mjesecima u španjolskim medijima šuškalo da će par dobiti sina. Naposljetku se saznalo da je Penelope na svijet donijela sina imena Leo.

Vatrenu Španjolku možete vidjeti od 18. 5. u hrvatskim kinima u novom nastavku filma 'Pirati s Kariba: Nepoznate plime 3D', gdje joj društvo pravi legendarni kapetan Jack Sparrow Johnny Depp