Il palazzo è situato nella parte orientale del Parque de Pena, da 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 dalle mura percorribili. Include 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, costruito da re Manuele I nel 1511 in cima alla collina che domina Sintra e che era stato inoccupato dal 1834, quando in Portogallo gli ordini religiosi furono soppressi. Il monastero comprendeva il chiostro e le sue dépendance, 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 14 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 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 vari 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 500 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 come sito patrimonio dell'umanità UNESCO nel 1995.