Il palazzo è situato nella parte orientale del Parque de Pena, che si deve attraversare per raggiungere la ripida rampa costruita dal barone di Eschwege che costituisce l'accesso all'edificio del castello. Il palazzo stesso è composto da due ali: l'ex monastero manuelino dell'Ordine di San Girolamo e l'ala costruita nel XIX secolo dal re Ferdinando II. Queste ali sono circondate da una terza struttura architettonica che rappresenta una versione fantastica di un castello immaginario, le cui mura si possono percorrere e che comprende merli, torri di avvistamento, un tunnel d'ingresso e persino un ponte levatoio.

Nel 1838 il re Ferdinando II acquistò l'ex monastero dei Geronimiti di Nostra Signora di Pena, monastero costruito da re Manuele I nel 1511 in cima alla collina che domina Sintra, e che era stato inoccupato dal 1834, quando gli ordini religiosi furono soppressi in Portogallo. Il monastero comprendeva il chiostro e le sue dipendenze, la cappella, la sacrestia e il campanile, che oggi formano la parte settentrionale del Palácio da Pena. Re Ferdinando iniziò apportando riparazioni all'ex monastero, che, secondo le fonti storiche dell'epoca, versava in pessime condizioni. Ristrutturò l'intero piano superiore, sostituendo le quattordici celle utilizzate dai monaci con stanze di dimensioni maggiori e coprendole con i soffitti a volta che si possono ancora vedere oggi. Intorno al 1843 il re decise di ampliare il palazzo costruendo una nuova ala (il Palazzo Nuovo) con stanze ancora più grandi (il salone ne è un buon esempio), terminando in una torre circolare accanto alle nuove cucine. I lavori di costruzione vennero diretti dal Barone di Eschwege.

I lavori di restauro del 1994 hanno ripristinato i colori originali dell'esterno del palazzo: il rosa per l'ex monastero e l'ocra per il Palazzo Nuovo. Trasformando un ex monastero in una residenza simile a un castello, il re Ferdinando si mostrò fortemente influenzato dal romanticismo tedesco e probabilmente trovò ispirazione nei castelli di Stolzenfels e Rheinstein sulle rive del Reno, così come nel palazzo Babelsberg a Potsdam. I lavori di costruzione del Palácio da Pena terminarono verso la metà del 1860, anche se ulteriori lavori furono intrapresi anche in date successive per la decorazione degli interni. Il re Ferdinando ordinò anche che il Parque de Pena venisse realizzato nelle aree circostanti del palazzo nello stile dei giardini romantici del tempo, con sentieri tortuosi, padiglioni e panchine in pietra collocati in punti diversi lungo i diversi sentieri, così come alberi e altre piante provenienti da ogni parte del mondo. In questo modo, il re sfruttò il clima mite e umido delle colline di Sintra per creare un parco completamente nuovo ed esotico con oltre cinquecento diverse specie di alberi. Il Palácio da Pena è stato classificato come Monumento Nazionale nel 1910 e fa parte del Paesaggio Culturale di Sintra, classificato dall'UNESCO come sito patrimonio dell'umanità nel 1995.