La genealogía más extendida la hace hija de Icario y de la Náyade, Peribea. Existen variantes respecto a las circunstancias que desembocaron en su boda con Ulises. En principio el héroe acudió a Esparta para pedir la mano de la hermosa Helena, pero al darse cuenta de la cantidad de competidores, renuncio a Helena solicitando en su lugar la de una sobrina de Tindáreo, Penélope. Le pudo ser concedida Penélope, en agradecimiento por el juramento que Ulises sugirió a Tindáreo. En este juramento todos los pretendientes de Helena se comprometían proteger al elegido por la muchacha.

Icario se mostró reacio a separarse de su hija y sugirió a Ulises que se quedase a vivir con ellos. Ulises se negó y dejó en libertad a Penélope para elegir con quien se quedaba. La doncella guardó silencio y ocultó su rostro bajo un velo, con lo cual quedó claro que el elegido era Ulises. Icario accedió a su partida y en aquel lugar construyó un templo dedicado al pudor.

La pareja tuvo a Telémaco, que aún era un infante cuando Ulises se vio obligado a partir hacia Troya, atrapado por el juramento que el mismo ideó. Penélope ha permanecido en la historia como un ejemplo de fidelidad conyugal, pues esperó a su esposo durante veinte años, resistiéndose a todos sus pretendientes.

Existe un mito que da explicación a su nombre. Se supone que en principio se llamaba Arnea. Pero Nauplio, que había acudido a Ítaca para vengar la muerte de su hijo, al ver que no conseguía incitarla al adulterio, le dijo a Arnea que Ulises había muerto. Ella desesperada se arrojó al mar, pero unos patos salvajes la mantuvieron a flote, la alimentaron y la llevaron hasta la costa. En recuerdo de este suceso, cambio el nombre de Arnea por el de Penélope, que significa "pato salvaje".

Tras la supuesta muerte de Ulises, se instalaron en el palacio de Penélope, al menos un centenar de pretendientes que codiciaban tanto a la mujer como a las riquezas del héroe. Para obligarla a decidirse por uno de ellos, celebraban banquetes con los que estaban dilapidando las arcas del país. Penélope, para ganar tiempo, comunicó que elegiría marido el día que terminase de tejer un sudario para su suegro, Laertes. Se pasaba el día tejiendopero por la noche deshacía el trabajo del día. Durante tres años les entretuvo con esta idea, hasta que una criada la traicionó.

Cuando Ulises regresa a Ítaca, después de matar a los pretendientes, ella no le reconoce hasta que él le relata detalles sobre su noche nupcial que sólo ellos conocen. Después Atenea alarga la noche para que los esposos puedan disfrutar de su mutua compañía.