ceremonii wręczenia Oscarów (2010) mały|Penélope Cruz (2011) mały|Penélope Cruz na Międzynarodowym Festiwalu Filmowym w Toronto (2012) mały|Penélope Cruz na festiwalu w Cannnes (2018) Urodziła się w AlcobendasOdyseja Penelope, Barbara Hollender, Rzeczpospolita, 12 marca 2009 r., na przedmieściu Madrytu, jako pierwsza z trójki dzieci Eduarda Cruza, sprzedawcy i Encarny Sánchez, fryzjerki. Po babce ma w sobie domieszkę krwi cygańskiej. Rodzice nadali jej imię Penélope zainspirowani piosenką Joana Manuela Serrata.
Już w wieku 4 lat rozpoczęła edukację sceniczną lekcjami baletu. Przez 9 lat uczyła się tańca klasycznego w madryckim Conservatorio Nacional. Uczęszczała też na kursy tańca jazzowego. W wieku 15 lat wzięła udział wraz z 300 innymi dziewczynami w castingu organizowanym przez agencję poszukującą młodych talentów. Kontynuowała naukę tańca w Balecie Hiszpańskim (3 lata) oraz aktorstwa w Cristina Rota School (Nowy Jork;