Su primera película fue El laberinto griego en 1990, pero su debut cinematográfico oficial fue Jamón jamón,del director Bigas Luna. La actriz salió potenciada como una sex-symbol atractiva y sensual debido al constante contenido erótico que tienen las películas.Con esta película fue nominada a los Premios Goya En 1992 también trabaja en Belle Epoque de Fernando Trueva, que ganó el Permio Óscar de la academia de Hollywood. Esta película fue ganadora de los Premios Oscar, lo que le sirvió a Penélope para huir de su imagen érotica por la película anterior.
En 1996, le surgió protagonizar La Celestina, dirigida por Gerardo Vera y El amor perjudica seriamente la salud, de Manuel Gómez Pereira.
Durante muchos años se negó a rodar escenas desnuda, por eso rechazó los papeles de Días contados, Un paseo por las nubes y Tierra, entre otros. Desde Jamón jamón, no volvimos a verla desnuda hasta Abre los ojos.