Palatset anlades i mitten av 1800-talet, på platsen för ett mindre kloster. Detta anlades på 1500-talet, efter att Jungfru Maria ryktats ha visat sig på platsen. Klostret, som fick namnet efter en av Jungfru Marias portugisiska tillnamn (Nossa Senhora da Pena) hade då eldhärjats och slutligen förvandlats till ruiner i samband med jordbävningen i Lissabon 1755.

Penapalatset restes åren kring 1850, efter initiativ av Ferdinand II av Portugal. Arkitekt var Wilhelm Ludwig von Eschwege, och till den färggranna[1] utformningen med kupoler, tinnar i rosa, gult och brunt bidrog även kungen själv. Det 1854 färdigställda palatset fungerade därefter som kungligt sommarresidens[2].

Penapalatset, som är en av Portugals mest frekventerade besöksmål, räknas sedan 1910 (samma år som den portugisiska monarkin upplöstes[2]) som ett portugisiskt nationalmonument. Palatset och de historiska omgivningarna i Sintra är världsarv sedan 1995.[3] Penapalatset används ofta i samband med utländska statschefers besök i Portugal.