Titulaire d'un diplôme de mathématiques et de psychologie de l'University of New Mexico, Penny Marshall s'installe à Hollywood et obtient plusieurs rôles dans des téléfilms et des séries télévisées des années soixante-dix comme The Danny Thomas hour et Happy days. A partir de 1976, elle joue le rôle de Laverne dans la série Laverne & Shirley dont elle réalise quelques épisodes. Elle continue sur sa lancée en mettant en scène un pilote, Working stiffs (1979), avec pour interprètes James Belushi et Michael Keaton.

Parallèlement à des petites apparitions au cinéma et à la télévision, Penny Marshall signe son premier long métrage, Jumpin' jack flash, en 1986. Cette comédie d'espionnage permet à son actrice principale, Whoopi Goldberg, de se faire connaître dans le monde entier. Dès lors, Penny Marshall poursuit sa carrière de cinéaste en réalisant des films légers, tantôt comiques, tantôt dramatiques, avec des personnages attachants et auxquels s'aime s'identifier le grand public. Celle-ci enchaîne avec le tournage de Big, l'histoire d'un enfant propulsé dans le monde des adultes. Ce deuxième film est l'un des plus gros succès du box-office 1988 et vaut à Tom Hanks une citation à l'Oscar du meilleur acteur.

Dans un registre plus dramatique, elle dirige Robert De Niro et Robin Williams dans L'Eveil, un film s'inspirant de l'expérience du docteur Oliver Sacks, qui soigna des malades considérés comme incurables. Ce long métrage est nommé à l'Oscar du meilleur film et Robert De Niro à celui du meilleur acteur. En 1992, Penny Marshall collabore à nouveau avec Tom Hanks pour les besoins de Une équipe hors du commun, dont elle est également productrice exécutive. Cette comédie dramatique raconte l'odyssée de la première ligue féminine de base-ball dans les années quarante. Le succès du film donne naissance à une série télévisée dont Penny Marshall réalise le pilote et assure la production exécutive.

Celle-ci revient en 1994 au cinéma pour diriger Danny DeVito dans Opération Shakespeare, l'histoire d'un enseignant chargé d'instruire des nouvelles recrues dans une base militaire. Suit la romance La Femme du pasteur dans laquelle Denzel Washington et Whitney Houston se donnent la réplique. Penny Marshall attend cinq ans avant de signer la réalisation de Ecarts de conduite. Drew Barrymore y incarne Beverly Donofrio, une jeune fille qui rêve de devenir romancière mais dont les espoirs s'effondrent le jour où elle tombe enceinte.