Первые семь лет своей жизни Пенелопа провела, путешествуя по американскому Югу и Среднему Западу с цирком своего отца. Окончив школу, она изучала кинематограф и защитила степень магистра в области театрального искусства в Калифорнийском Университете в Лос-Анджелесе.
Сфирис начала свою карьеру, придумывая сюжеты для комика Альберта Брукса, причем многие из ее творений засветились в первом сезоне телевизионного сериала «Saturday Night Live». Ее первой крупной работой стал «Упадок западной цивилизации», документальный фильм о панк-рок сцене Лос-Анджелеса, который Сфирис снимала с 1979 по 1980 год, а также выступила в качестве продюсера.
За первой частью в 1988 году последовало продолжение, «Годы металла: упадок западной цивилизации, часть II», рассказывавший о местном движении хэви-метал. В фильме приняли участие такие легендарные группы того времени, как «Kiss», «Aerosmith», «Megadeth», «Motörhead» и Оззи Осборн. В 1998 году Сфирис вернулась к теме лос-анджелесского панка с документальным фильмом «Упадок западной цивилизации, часть III».
В 1984 году Сфирис, как знатоку темы, предложили стать режиссером псевдодокументальной пародии «Это - Spinal Tap» о теряющей популярность вымышленной британской рок-группе, однако Пенелопа отказалась, считая для себя невозможным высмеивать хэви-метал.
На протяжении почти десяти лет, с 1988 по 1997 год, Сфирис была сценаристом ситкома «Розанна». В 90-х она сняла комедию «Мир Уэйна» на основе пародий Майка Майерса из «Saturday Night Live», и фильм собрал 121 миллион долларов, став хитом кинопроката, а видеоклип из фильма к композиции «Bohemian Rhapsody» группы «Queen» получил номинацию на «Грэмми». Правда, Пенелопе с большим трудом удавалось работать с Майерсом, хотя она и считала его талантливым, и когда в 1993 году было снято продолжение «Мира Уэйна», Сфирис считала, что это Майерс уговорил руководство «Paramount Pictures» пригласить другого режиссера.
В 1996 году она сняла «Мы продали душу за рок-н-ролл», документальный фильм о метал-фестивале «Ozzfest», который получил свое название в честь одного из сборников «Black Sabbath».
Среди других фильмов Пенелопы Сфирис - комедии «Деревенщина в Беверли-Хиллз», «Маленькие негодяи», «Паршивая овца», «Без чувств» и «Малыш и я». В 2011-м вышла ее новая комедия «Balls to the Wall».