New York'ta doğan Penelope, Fransa doğumlu ünlü sahne ve sinema yönetmeni Bretaigne Windust (1906-1960) ve aktris eşi Irene'nin (1921-1999) kızıdır. Penelope tiyatro eğitimini Pittsburgh'daki Carnegie Tech'te (daha sonra Carnegie Mellon Üniversitesi olacak) tamamladı. Broadway'deki ilk çıkışını 1967 yılında New York Amerikan Ulusal Tiyatrosu'nda Herman Shumlin'in Reuben, Reuben adlı romanından uyarlanan Spofford adlı oyunla yaptı (daha sonra Tom Conti'nin başrolünde oynadığı filme çekildi). Penelope 1972'de Lyceum Tiyatrosu'nda I. Elizabeth'in başrolünü üstlendi, Tony Ödülü'ne aday gösterildi ve San Diego'daki Old Globe'da bir sezon oynadı. Daha sonraki tiyatro başarıları arasında 1983'te South Coast Repertory Theatre'da The Elephant Man ve The Lion in Winter'daki rolleri ve Los Angeles'taki Mark Taper Forum'daki performansları yer almaktadır. 1975'te ekrana nispeten geç gelen Penelope, öncelikle yardımcı oyuncu olarak epizodik televizyonda çalıştı. Belki de en çok orijinal bilim kurgu mini dizisi V'de (1983) Direniş'e katılan botanikçi Kathleen Maxwell rolüyle hatırlanmaktadır. Karakterleri arasında çok sayıda cinayet şüphelisi (Mannix (1967), Ellery Queen (1975), Matlock (1986)), cinayet kurbanları (Nero Wolfe (1981), Criminal Minds (2005)) ve çeşitli doktorlar/bilim adamları (Hawaii Five-O (1968), Altı milyon dolarlık adam (1974), Wonder Woman (1975), Şahin tepesi (1981)) bulunmaktadır. Seyrek olarak rol aldığı sinema filmlerinden birinde (Ghost Town (1988)) bir salon sahibesini canlandırdı.1969-1984 yılları arasında aktör Charles Haid ile evli kalan Penelope Windust'ın bu evlilikten iki kızı oldu.