スペインマドリードにて生まれ1991年にフランスのテレビシリーズに出演後、1992年にスペイン映画『ハモンハモン』で映画デビュー。 1998年公開の『美しき虜』でゴヤ賞主演女優賞を受賞。同年公開のペドロ・アルモドバル監督の『オール・アバウト・マイ・マザー』で国際的に知られるようになる。その後、ハリウッドに招かれ、アメリカ映画にも出演するようになるが、典型的なラテン系の役ばかりで良い評価は得られなかった。 2006年公開のスペイン映画『ボルベール〈帰郷〉』でカンヌ国際映画祭女優賞、ヨーロッパ映画賞最優秀女優賞などを受賞。また、スペイン人女優として初めてアカデミー主演女優賞にもノミネートされた。 2007年には弟エドゥアルドのシングル「Cosas que contar」のミュージックビデオに妹のモニカやミア・マエストロと共に出演。同年10月、出演しているロレアルのマスカラのCMでイギリスの広告基準局ASAから監査が入った。同CMでは「まつげを60％長くする」と宣伝しているが、CM撮影ではペネロペが付けまつげをしていることから、誤解を招くと指摘された[1]。 2008年公開のウディ・アレン監督の『それでも恋するバルセロナ』でアカデミー助演女優賞を受賞した。これはラテン系女優として二人目、スペイン人俳優として二人目、スペイン人女優として初めての受賞者となった。また、英国アカデミー賞 助演女優賞、ゴヤ賞助演女優賞なども受賞した。