Penelope na świat przyszła w Madrycie, jej ojciec, Eduardo Cruz, był kupcem, a matka, Encarna Sánchez, fryzjerką. Rodzice nadali jej imię Penélope, zainspirowani piosenką Joana Manuela Serrata. Przez 9 lat uczyła się tańca klasycznego w madryckim Conservatorio Nacional. Gdy miała 15 lat wzięła udział wraz z 300 innymi dziewczynkami w castingu organizowanym przez agencję poszukującą młodych talentów. Kontynuowała naukę tańca w Balecie Hiszpańskim (3 lata) oraz aktorstwa w Cristina Rota School (Nowy Jork) (4 lata) . Ukończyła kurs tańca współczesnego. Zaczęła regularnie występować jako prezenterka w programie telewizji hiszpańskiej La Quinta Marcha przeznaczonym dla nastolatek.
Po dwóch latach przerwała naukę w szkole średniej i zrezygnowała z tańca na rzecz aktorstwa. Zadebiutowała w wideoklipie La fuerza del destino hiszpańskiej grupy popowej Mecano.
W 1991 roku po raz pierwszy pojawiła się na wielkim ekranie w filmie El Laberiento Griego. Rok później zagrała w m.in. "Jamón, jamón" i "Belle époque". Za rolę w drugim z filmów dostała nagrodę Goya - hiszpański odpowiednik Oscara.
W 1999 r. zagrała w obrazie Pedro Almodóvara "Todo sobre mi madre" (pol. Wszystko o mojej matce). Film ten został nagrodzony Oskarem dla najlepszego filmu obcojęzycznego. W 2000 roku zagrała razem z Mattem Damonem w filmie "All the Pretty Horses" (pol. Rącze konie). Na początku 2001 r. wystąpiła wraz z Tomem Cruisem w filmie Vanilla Sky. Znajomość z Tomem Cruisem na planie zapoczątkowała jej trzyletni związek z tym aktorem. "Vanilla Sky" była hollywoodzkim remakiem filmu ''Abre los ojos" (pol. Otwórz oczy). Aktorka w obu wersjach wcieliła się w rolę Sofii.
Tom Cruise dla Penélopy rozstał się ze swoją żoną Nicole Kidman. Związek ten jednak nie wytrzymał próby czasu.
W 2005 roku aktorka wystąpiła w filmie "Sahara" u boku Matthew McConaughey z którym miała trwający rok romans.
Z Salmą Hayek (aktorka przyjaźni się z nią od 2001 roku) w 2006 r. zagrała w filmie "SEXiPISTOLS". W tym samym roku Penelope zagrała ponownie w filmie Almodóvara - "Volver". Za tą kreację dostała Złotą Palmę w Cannes dla najlepszej aktorki, a także nagrodę hollywoodzkiego festiwalu filmowego w kategorii najlepsza aktorka pierwszoplanowa.
Aktualnie pracuję nad "Vicky Cristina Barcelona" w reżyserii Woodego Allena.
W 2005 roku znalazła się na liścię najpiękniejszych ludzi świata wg magazynu "People". Jej urok i śliczna śródziemnomorska uroda sprawia, że jest uwielbiana przez mężczyzn.
