Penelope Cruz Sanchez gimė 1974 m. balandžio 28d. prekiautojo ir kirpėjos šeimoje, Madride. Ji buvo viena iš trijų vaikų. Vaikystėje intensyviai lankė baleto ir džiazo studijas, tačiau 1992 m. jas iškeitė į vaidybą. Būdama 15 metų ji nugalėjo 300 merginų ir laimėjo talentų agentūros surengtą konkursą. Laimėjimas jai sudarė galimybę nusifilmuoti keliuose TV šou, muzikiniuose klipuose, kurie ir nutiesė kelią link aktorės karjeros.

Pirmasis debiutas filme buvo 1993 m. “Laberinto griego, El”. Trečiasis filmas, kuriame nusifilmavo Penelope – “Belle epoque” – laimėjo Oskarą, kaip geriausias užsienio filmas. Filmas taip pat laimėjo keletą ispaniškų apdovanojimų. Kiekvienais metais Penelope nusifilmuodavo trejuose ar keturiuose filmuose, ir netrukus ji buvo vadinama pagrindine Ispanų kino aktore.

1997 m. Cruz buvo pasiūlyta dirbti su įžymiuoju Ispanų režisieriumi Pedro Almodovaru ir tais pačiais metais ji buvo pagrindinio vaidmens atlikėja mistiniame trileryje “Abre los ojos”. 1998 m. nusifilmuoja pirmajame filme anglų kalba – “The Hi-Lo Country”, tačiau tik su filmu “All About My Mother” Cruz sulaukė tarptautinės šlovės. 2000 m. sekė kitas didelis projektas, komedija “Woman on Top”. 2001 m. kartu su Johnny Depp’u nusifilmuoja “Blow”, o su Mattu Damonu ir Billy Bob Thorton’u – “All the Pretty Horses”.

Po filmavimosi “All the Pretty Horses” Penelope tapo vegetare. Kartu su keliais Ispanų žinomais žmonėmis įkūrė namus, kliniką ir mokyklą benamiams vaikams, tačiau dėl kai kurių žmonių nuomonių skirtumų šis projektas daugiau nebeegzistuoja. Geriausios draugės – Goya Toledo ir Salma Hayek. Penelope laiko benames kates. Kalba keturiomis kalbomis: ispanų, italų, prancūzų ir anglų.