El palacio se encuentra en la zona este del Parque da Pena, que hay que atravesar para llegar a la empinada rampa construida por el Barón de Eschwege, y que da acceso al edificio con aspecto de castillo. El propio palacio se compone de dos alas: el antiguo monasterio manuelino de la Orden de San Jerónimo y el ala construida en el siglo XIX por el rey Fernando II de Portugal. Estas alas están rodeadas de una tercera estructura arquitectónica, una fantástica versión de un castillo imaginario cuyos muros se pueden recorrer y que comprende almenas, torres de vigilancia, un túnel de entrada e incluso un puente levadizo.

En 1838 el rey Fernando II adquirió el antiguo monasterio jerónimo de Nuestra Señora de la Pena, que fue construido por el rey Manuel en 1511 en lo alto de la colina de Sintra, y que no se había ocupado desde 1834 cuando se suprimieron las órdenes religiosas en Portugal. El monasterio consistía en el claustro y los edificios anexos, la capilla, la sacristía y el campanario, que hoy conforman la zona norte del Palacio da Pena, también conocido como el antiguo palacio. El rey Fernando comenzó restaurando el antiguo monasterio, el cual, según las fuentes de la época, se encontraba en muy malas condiciones. Renovó toda la planta de arriba, sustituyendo las catorce celdas de los monjes por habitaciones más grandes y cubriéndolas de los techos abovedados que se pueden ver hoy en día. Alrededor de 1843, el rey decidió ampliar el palacio construyendo una nueva ala (el Palacio Nuevo) con habitaciones aún más grandes (el Gran Salón es un buen ejemplo de esto), que terminan en una torre circular junto a las nuevas cocinas. Las obras de construcción fueron dirigidas por el Barón de Eschwege.

En 1994 se restauraron los colores originales del exterior del Palacio: rosa para el antiguo monasterio y ocre para el Palacio Nuevo. Al transformar un antiguo monasterio en una residencia con aspecto de castillo, el rey Fernando demostró la gran influencia que había obtenido del romanticismo germánico. Probablemente encontró inspiración en los castillos de Stolzenfels y Rheinstein en la ribera del Rin, así como el palacio de Babelsberg en Potsdam. Estas obras del Palacio da Pena terminaron alrededor de 1865, aunque las obras del interior se prolongaron hasta más adelante para la decoración del interior. El rey Fernando también ordenó que se creara un parque en los alrededores del palacio al estilo de los jardines románticos de la época, con senderos sinuosos, pebllones y bancos de piedra situados en distintos puntos de los caminos, así como árboles y otras plantas provenidas de todo el mundo. De esta manera, el rey aprovechó el clima suave y húmedo de la sierra de Sintra para crear un exótico parque completamente nuevo con más de cien especies distintas de árboles. El Palacio da Pena fue nombrado Monumento Nacional en 1910 y forma parte de los paisajes culturales de Sintra, clasificados como Patrimonio de la Humanidad de la UNESCO en 1995.