В 2007 году Пенелопа начала встречаться с актёром Хавьером Бардемом (род. 1969), работавшим с ней в нескольких фильмах[97]. В июле 2010 года они поженились на Багамских Островах в доме их друга[98][99]. У супругов есть двое детей — сын Леонардо (род. 25 января 2011)[100][101][102][103] и дочь Луна (род. 22 июля 2013)[104].