Matka Penélope Cruz je kadeřnice a otec automechanik. Mimo Penélope měli ješte dvě děti, sestru Monicu a bratra Eduarda. Své hezké jméno dostala podle písně od skladatele Joana Manuela Serrata. Vystudovala baletní školu a plynule mluví španělsky, italsky, francouzsky a anglicky. Zpočátku se sice chtěla věnovat tanci, herectví však zvítězilo. Jako malá studovala Penélope Cruz taneční konzervatoř, to ale ješte v patnácti letech opustila. Právě v tom věku se totiž zúčastnila castingu do televizní šou, který vyhrála. A tehdy se začala její, nejdřív jen španělská, herecká kariéra, během níž se zařadila mezi nejkrásnější herečky světa.
První filmovou roli dostala v roce 1991 v snímku Řecký labyrint. Upoutala na seba ve filmu Belle époque, který získal i Oscara. O velikém zvratu v její kariéře mužeme mluvit, když si ji vybral do svého filmu Vše o mé matce světoznámý filmař Pedro Almodovár. Jednalo se o klubový film, kde ztvárnila jeptišku, která má poměr s transvestitou. Její krásný uhrančivý pohled a kaštanové vlasy si ale zapamatoval celý svět až ve snímku Kokain, kde alternovala hollywoodské hvězdě první kategorie Johnymu Deppovi. A pak už se nabídky jenom hrnuly. Zahrála si po boku Cameron Diaz, s Mathewem McConaugheyem, nebo Tomem Cruisem. S nejznámějším scientologem světa byla také tři roky zasnoubená. Svou pravou lásku našla ale až v náruči španělského kolegy Javiera Bardema. V roce 2011 se jim narodil první syn Leonardo. V roce 2013 si spolu zahráli v americkém snímku Konzultant. V témž roce porodila svému partnerovi druhé dítě.