Germà del fotògraf Irving Penn, es formà a la televisió, d’on passà al cinema, mitjà en el qual debutà el 1958 amb el westernThe Left Handed Gun. Més tard realitzà The Miracle Worker, per la qual fou premiat al Festival de Sant Sebastià l’any 1962, Mickey One (1965), The chase (1966), Bonnie and Clyde (1967), el seu film més famós, que fou motiu de nombroses controvèrsies per la seva violència, Alice's Restaurant (1969), Little Big Man (1970), Night Moves (1975), The Missouri Breaks (1976), Four Friends (1981), Target (1985), Dead of Winter (1987), Penn & Teller Get Killed (1989) i Inside (1996). Destacà per l’inconformisme i el tractament innovador que donà a gèneres de llarga tradició, com el western o el policíac.
Fou també un destacat director teatral. Entre altres obres, dirigí All the Way Home, basada en la novel·la A Death in the Family, de James Agee, que el 1961 guanyà el premi Pulitzer a la millor adaptació teatral.