Née le 15 octobre 1943 dans le Bronx, à New York, sous le nom de Carole Penelope Masciarelli, Penny Marshall est la fille du réalisateur de films industriels Anthony Marshall et de la professeure de danse Marjorie Marshall, ainsi que la sœur du réalisateur Garry Marshall. Formée à la danse par sa mère, elle se fait d'abord connaître comme actrice à la télévision, notamment dans le rôle de Laverne DeFazio dans Happy Days puis dans la série dérivée Laverne et Shirley, diffusée de 1976 à 1983. Encouragée par son amie Whoopi Goldberg à passer derrière la caméra, elle réalise en 1986 son premier long métrage, Jumpin' Jack Flash. Elle connaît la consécration en 1988 avec Big, comédie fantastique portée par Tom Hanks, qui fait d'elle la première femme à réaliser un film ayant rapporté plus de 100 millions de dollars aux États-Unis. Elle enchaîne avec L'Éveil en 1990, nommé à l'Oscar du meilleur film, puis avec Une équipe hors du commun en 1992, qui dépasse à nouveau les 100 millions de dollars de recettes. Elle conclut sa carrière de réalisatrice avec Écarts de conduite en 2000, portée par Drew Barrymore, avant de mourir le 17 décembre 2018 à Los Angeles des suites de complications liées au diabète.
Penny Marshall puise dans sa propre expérience d'actrice de sitcom, acquise sur Laverne et Shirley pendant près d'une décennie, une compréhension intime du rythme comique et de la direction d'acteurs qu'elle transpose directement dans sa mise en scène. Son amitié avec Whoopi Goldberg, qui l'a encouragée à réaliser son premier film, demeure une influence déterminante dans le déclenchement de sa carrière de cinéaste. Issue d'une famille de cinéastes, avec un père réalisateur de films industriels et un frère scénariste et metteur en scène à succès, elle hérite d'un sens inné de la narration populaire et généreuse. Elle revendique elle-même un attachement assumé à l'émotion sincère et à la sentimentalité, déclarant préférer les histoires qui la touchent personnellement à toute prétention artistique.
La cinéaste privilégie une mise en scène instinctive et généreuse, marquée par une approche collaborative du tournage plutôt qu'autoritaire, qu'elle revendiquait elle-même comme un atout plutôt qu'une faiblesse. Ses comédies dramatiques, de Big à Une équipe hors du commun, se distinguent par une capacité à faire naître une émotion sincère et populaire chez le spectateur, souvent qualifiée de sentimentale par la critique mais assumée par la réalisatrice elle-même. Elle sait diriger avec sensibilité des castings choraux, en particulier des distributions féminines, comme dans Une équipe hors du commun. Sa direction d'acteurs, connue pour son perfectionnisme et la multiplication des prises, cherche à révéler la vulnérabilité et la spontanéité de ses interprètes.
Son film L'Éveil a été nommé à l'Oscar du meilleur film en 1991, tandis que Big lui a valu le Saturn Award de la meilleure réalisation en 1989 ainsi qu'une mention spéciale du prix Children and Cinema à la Mostra de Venise en 1988. Elle a inauguré son étoile sur le Walk of Fame d'Hollywood en 2004, aux côtés de sa partenaire Cindy Williams, pour leurs rôles dans Laverne et Shirley. Elle a également reçu le Governors' Award de la Society of Camera Operators en 2013 pour l'ensemble de sa carrière.
L'acteur Tom Hanks a tourné à deux reprises sous sa direction, dans Big puis dans Une équipe hors du commun, formant l'une des collaborations les plus marquantes de sa carrière de réalisatrice. Whoopi Goldberg, son amie de longue date, a joué dans son premier long métrage, Jumpin' Jack Flash, avant de la retrouver plus tard sur Course folle en tant qu'actrice pour son frère Jerry Zucker. Robert De Niro et Robin Williams ont porté à l'écran son film le plus salué par la critique, L'Éveil.
Le passage à l'âge adulte et la préservation de l'innocence, cœur du concept de Big, occupent une place centrale dans sa filmographie la plus emblématique. La solidarité féminine face à l'adversité, illustrée par les joueuses de baseball d'Une équipe hors du commun, structure également une large part de son travail de réalisatrice. La maladie et la résilience humaine, explorées avec gravité dans L'Éveil, viennent nuancer l'image de cinéaste de la comédie populaire qui lui est le plus souvent associée. Enfin, un attachement constant à l'émotion sincère et à des personnages attachants, assumé jusque dans ses choix les plus commerciaux, traverse l'ensemble de son œuvre de réalisatrice pionnière à Hollywood.