C'est en rencontrant des personnes adultes porteuses d’autisme que le projet de Pénélope, mon amour est né dans l'esprit de Claire Doyon, dont la fille est autiste. "Pénélope demeure un mystère à part entière. Les questions ricochaient et m’étaient renvoyées en boomerang. Petit à petit l’écriture du film a bifurqué vers ma façon d’appréhender le rapport à ma fille et son handicap ; vers la manière dont mon regard a changé au fil des ans ; et vers des questions qui découlent de ma vie avec elle."
C'est en rangeant un placard que Claire Doyon est tombée sur une valise de cassettes contenant 15 ans d’images de sa fille Pénélope : "La première chose que j’ai sentie devant cette valise est que mon regard avait changé en 15 ans et que ces images contenaient sans doute ce changement. Je me suis dit que dans ces 15 ans, il y avait la valeur du temps, une valeur incompressible et solide. Pénélope a profondément bouleversé mon existence. Il fallait regarder ces images, ou alors les jeter, passer à autre chose." Si l'idée consciente de faire un film est venue tardivement, elle s'est rendue compte qu'il y avait déjà dans sa façon de filmer (comme le fait de présenter les protagonistes) une intention autre que celle de faire un simple film de famille.
Le cinéma a été pour la réalisatrice un moyen d’entrer en relation avec sa fille : "Pas besoin de parole, pas besoin de règles. Juste être là, moi filmant Pénélope, Pénélope vaquant à ses occupations. Devant la caméra, Pénélope devient un personnage, ses gestes répétitifs prennent un autre sens. Ils deviennent une sorte de danse alors que dans le quotidien, ils sont considérés comme des stéréotypies, des gestes non fonctionnels."