Istana tersebut terletak di bagian timur Taman Pena, yang harus dilalui untuk mencapai tanjakan curam yang dibangun oleh Baron Eschwege, yang menjadi jalur masuk ke bangunan yang menyerupai kastil tersebut. Istana itu sendiri terdiri dari dua sayap: bekas biara bergaya Manueline milik Ordo Santo Hieronimus dan sayap yang dibangun pada abad ke-19 oleh Raja Ferdinand II. Sayap-sayap ini dikelilingi oleh sebuah struktur arsitektur ketiga yang merupakan versi fantastis dari sebuah kastil imajiner, yang dindingnya dapat dilalui, serta dilengkapi dengan benteng, menara pengawas, terowongan masuk, dan bahkan jembatan gantung.
Pada tahun 1838, Raja Ferdinand II mengakuisisi bekas biara Ordo Hieronimita Bunda Maria dari Pena, yang dibangun oleh Raja Manuel I pada tahun 1511 di puncak bukit di atas Sintra dan telah kosong sejak tahun 1834 ketika ordo-ordo keagamaan dibubarkan di Portugal. Biara tersebut terdiri dari serambi biara beserta bangunan-bangunan pendukungnya, kapel, ruang sakristi, dan menara lonceng, yang kini terletak di bagian utara Istana Pena, atau yang dikenal sebagai Istana Lama. Raja Ferdinand memulai dengan melakukan perbaikan pada bekas biara tersebut, yang—menurut sumber-sumber sejarah pada masa itu—berada dalam kondisi yang sangat buruk. Ia merenovasi seluruh lantai atas, mengganti keempat belas sel yang digunakan para biarawan dengan ruangan-ruangan yang lebih luas, serta melengkapinya dengan langit-langit berkubah yang masih dapat dilihat hingga saat ini. Sekitar tahun 1843, raja memutuskan untuk memperluas istana dengan membangun sayap baru (Istana Baru) yang memiliki ruangan-ruangan yang lebih luas (Aula Besar adalah contoh yang baik untuk hal ini), yang diakhiri dengan sebuah menara bundar di sebelah dapur-dapur baru. Pekerjaan pembangunan tersebut dipimpin oleh Baron Eschwege.
Pekerjaan pemugaran pada tahun 1994 mengembalikan warna asli bagian luar Istana: merah muda untuk bekas biara dan oker untuk Istana Baru. Dalam mengubah bekas biara menjadi kediaman yang menyerupai kastil, Raja Ferdinand menunjukkan bahwa ia sangat dipengaruhi oleh romantisisme Jerman, dan bahwa ia kemungkinan besar mendapatkan inspirasinya dari Kastil Stolzenfels dan Rheinstein di tepi Sungai Rhine, serta Istana Babelsberg di Potsdam. Pekerjaan pembangunan di Istana Pena ini selesai pada pertengahan tahun 1860-an, meskipun pada masa-masa berikutnya juga dilakukan pekerjaan lanjutan untuk mendekorasi bagian dalam istana. Raja Ferdinand juga memerintahkan agar Taman Pena ditata di kawasan sekitar Istana dengan gaya taman romantis pada masa itu, lengkap dengan jalan setapak yang berkelok-kelok, paviliun, dan bangku batu yang ditempatkan di berbagai titik sepanjang jalurnya, serta pohon dan tanaman lain yang berasal dari berbagai penjuru dunia. Dengan cara ini, raja memanfaatkan iklim yang sejuk dan lembap di perbukitan Sintra untuk menciptakan sebuah taman yang benar-benar baru dan eksotis dengan lebih dari lima ratus spesies pohon yang berbeda. Istana Pena ditetapkan sebagai Monumen Nasional pada tahun 1910 dan merupakan bagian dari Lanskap Budaya Sintra, yang telah diklasifikasikan oleh UNESCO sebagai Warisan Dunia sejak tahun 1995.
