Hija de un agente comercial y de una peluquera.Tiene dos hermanos: Mónica y Eduardo.
Con tan sólo cinco años ingresa en una academia de baile y a los catorce empieza a trabajar como modelo publicitaria. Por esa época, el director cinematográfico Bigas Luna se fija en ella y le ofrece el papel protagonista en el film "Las edades de Lulú", pero es precisamente la edad de Penélope la que no le permite moralmente interpretar un papel tan "caliente".
Tres años más tarde, hace el papel protagonista en "Jamón, jamón".
Presenta durante tres meses el programa de televisión "La quinta marcha".
En 1993 hace su primera aparición en televisión al participar como "Lola del Moreno", la novia perversa de la serie inglesa "Framed", junto a Timothy Dalton.
Con "Belle Époque" de Fernando Trueba, Oscar a la mejor película de habla no inglesa de 1994, Penélope Cruz se afianza como una de las más destacadas actrices españolas del momento. En 1999 logra el Goya a la Mejor Interpretación Femenina Protagonista con otra película de Fernando Trueba, "La niña de tus ojos".
Luego vendrá su ida a Estados Unidos, sus estudios de interpretación en Nueva York durante los tres años que vivió allí y sus actuaciones en filmes como "Twice Upon a Yesterday", "Talk of Angels", "The Hi-Lo Country", todas de 1998 y su regreso a España en 1999 para filmar junto a Almodovar en "Todo sobre mi madre". Luego tendrá participaciones estelares en "Blow" y "All the Pretty Horses"

Sus padres le pusieron el nombre de Penélope en recuerdo de una canción de Joan Manuel Serrat.
Lo que más admira es la bondad y lo que más detesta es a los paparazzi. Los que la conocen bien la llaman Pe, le encanta dormir y como mas agusto se siente es con unos vaqueros y una camiseta. No fuma, ni bebe, y tampoco sale demasiado, su bebida favorita la Coca-cola y le gusta mocho la comida japonesa. Es muy celosa
Los que las han comido dicen que hace las mejores hamburguesas vegetarianas del mundo.
Tiene una gata que se llama Aitana, como una de sus mejores amigas, Aitana Sánchez Gijón, que fue quien se la regaló.
Sus colores son el blanco y el negro.
Además de actriz, esta mujer es seguidora de filosofías orientales y, en alguna ocasión, expone fotografías de niños tibetanos.