В 1972 году Уилтон впервые появилась на телевидении, сыграв Виви Уоррен в пьесе «Профессия миссис Уоррен». После этого она появлялась ещё в нескольких постановках проекта BBC Television Shakespeare, в том числе в роли Дездемоны и Реганы. Впоследствии Уилтон принимала участие во многих телевизионных проектах BBC. Театральная карьера Пенелопы Уилтон началась в 1974 году, когда она сыграла главную роль первой постановке трилогии Алана Эйкборна «Норманские завоевания», где вместе с ней играл сэр Ральф Ричардсон.
Широкую известность ей принесла главная роль Энн Брайс в британском ситкоме «Ever Decreasing Circles», выходившим на BBC с 1984 по 1989 годы. Помимо этого она снялась в главные роли и в ролях второго плана в фильмах «Клич свободы» (1987), «Айрис» (2001), «Девочки из календаря» (2003), «Зомби по имени Шон» (2004), «Гордость и предубеждение», «Матч-пойнт» (2005), «Любители истории» (2006). С 2005 по 2008 год в качестве приглашённой звезды появилась в четырех эпизодах научно-фантастического сериала «Доктор Кто» в роли члена парламента, а потом премьер-министра Харриет Джонс. С 2010 года Пенелопа Уилтон исполняет одну из главных ролей в телевизионном сериале BBC «Аббатство Даунтон». Её героиня — Изабель Кроули — мать предполагаемого наследника поместья, женщина с активной жизненной позицией, без предрассудков. В 2012 году Пенелопа Уилтон исполнила одну из главных ролей в художественном фильме Джона Мэддена «Отель «Мэриголд». Лучший из экзотических».
С 1975 по 1984 годы Пенелопа Уилтон была замужем за актёром Дэниелом Мэсси. В 1977 году у пары родилась дочь Элис. В 1991 году Уилтон вышла замуж за сэра Иэном Холмом (в следствие чего с 1998 года именовалась леди Холм). Пара развелась в 2001 году.
Уилтон дважды становилась обладательницей премии Сообщества театральных критиков Лондона: в 1981 году за роль в пьесе «Много шума из ничего» и в 1993 году — за «Глубокое синее море». Также у Уилтон пять номинаций на Премию Лоуренса Оливье (1981, 1988, 2001, 2008, 2009), однако актрисе ни разу не удалось получить эту награду.
В 2004 году актриса была произведена в Офицеры Ордена Британской империи за вклад в развитие театра.