Pénélope Bagieu en dédicace au {{40e}} festival international de la bande dessinée d'Angoulême, 2013. Un baccalauréat économique et social en poche, elle passe une année en classe préparatoire (ESAT Paris), entre à l'École nationale supérieure des arts décoratifs de Paris puis au Central Saint Martins College of Art and Design. Elle pratique notamment le multimédia et l'animation. En décembre 2006, Pénélope Bagieu sort diplômée de cet établissement. Elle décide alors de revenir à une activité d'illustratrice, et trouve rapidement un agent.
Entre-temps, elle réalise tout de même un court métrage d'animation, intitulé Fini de rire, qui connaîtra une diffusion sur Canal+ et diverses nominations dans des festivals de films, notamment en 2006 au Festival international du film d'Amiens et en 2007 au Festival international du film d'animation d'Annecy.
Elle est également à l'origine des illustrations d'une campagne de communication pour les surgelés Marie, sur support télévisuel, en affichage et sur Internet.
En septembre 2008 sort le premier volume de Joséphine, une bande dessinée dont elle assure elle-même les textes et les illustrations, qui met en scène un personnage commandé par le magazine Femina.
En mars 2008, elle invente le personnage de Charlotte pour le lancement d'un nouveau magazine, Oops, dont chaque numéro comporte une page retraçant les aventures de cette fille délurée à la pointe des tendances verbales et vestimentaires, qui passe en revue les sujets marquants de son quotidien, aussi variés qu'insolites.
Pour Noël 2008, elle met en place le site web Mon beau sapin en partenariat avec la Croix-Rouge et Orange, dont le but est d'offrir des cadeaux aux enfants défavorisés.
Depuis avril 2009, elle anime une rubrique sur le site madmoiZelle.tv où elle propose ses coups de cœur BD en vidéo.
Pénélope anime les soirées "We are the 90’s" où elle est plus connue sous le nom de DJ Brenda.
Elle publie en 2010 Cadavre Exquis, sa première nouvelle graphique pour laquelle elle se charge du dessin et du scénario. Ce premier album lui vaut le prix SNCF au festival d'Angoulême en janvier 2011 ainsi que le prix dBD du meilleur album humour.
Elle participe au festival de Cannes 2011 en tant que chroniqueuse pour la chaîne Arte.
En 2012, elle publie La Page blanche en collaboration avec le dessinateur Boulet. Ce dernier réalise le scénario et Pénélope Bagieu, les dessins.
En février 2013, à l'occasion du {{40e}} festival international de la bande dessinée d'Angoulême, elle est nommée Chevalier des Arts et des Lettres par la ministre de la Culture et de la Communication, Aurélie Filippetti.
Le 19 juin 2013 sort le film Joséphine, adapté de sa bande dessinée par Agnès Obadia avec dans le rôle titre Marilou Berry.
En septembre 2013, elle publie avec Joann Sfar le premier tome de Stars of the Stars. Sfar réalise le scénario et Bagieu les dessins.
En novembre 2013, Pénelope Bagieu publie sur son blog une mini-bande dessinée humoristique destiné à alerter le public sur les dangers du chalutage profond. Invitant par la suite ces lecteurs à signer une pétition de l'association BLOOM, le billet a permis de recueillir des centaines de milliers de signatures{{,}}.
En 2016, sort suite de Joséphine, Joséphine s'arrondit, réalisée par Marilou Berry.
Elle habite à New-York depuis janvier 2015