Пенелопа Крус Санчес родилась 28 апреля 1974 года в испанском городе Алькобендас. Отец Пенелопы — Эдуардо Крус, розничный торговец и автомеханик (умер в июне 2015 года от инфаркта миокарда). Мать — Энкарна Санчес, парикмахер и импресарио. Пенелопа была старшим ребёнком в семье: у неё есть сестра Моника, тоже актриса, и младший брат Эдуардо — музыкант и певец. Также имеет сводную сестру (по отцу) Сальму. В детстве воспитывалась как католичка. Девочка росла в Алькобендасе и часто проживала в квартире своей бабушки. Актёрскую карьеру Пенелопа начала в 1991 году на телевидении. Её кинодебют состоялся через год после выхода на широкие экраны трагикомедии Ветчина, ветчина, получившей одобрение критиков. Активно занимается филантропией, регулярно жертвуя денежные средства на благотворительные цели бедным странам, и участвует в борьбе со СПИДом.