Debicában született, s már korán eljegyezte magát a zenével. 18 évesen egyidejűleg kezdett filozófiai, művészettörténeti és irodalomtörténeti tanulmányokat. 1954-től tanult zeneszerzést a krakkói zeneművészeti főiskolán, ahol 1958-ban diplomázott. A következő évben lett neve ismert, amikor egy zenei verseny mindhárom díját - különböző álnevek alatt írt - művei nyerték el.
 
Már fiatalon a zenei avantgárd egyik vezére lett, korai művei Webern, Boulez és Sztravinszkij hatását tükrözik. A nemzetközi elismerést a hirosimai atombomba évfordulójára született Gyászéneke hozta meg számára. A darab eredeti címének a 8 perc 37 másodperc címet viselte (ennyi idő alatt zajlott le az atomtámadás), de kiadója hangzatosabb címet követelt. Penderecki talán leghíresebb alkotása 52 vonós hangszerre íródott és különleges hangzásokkal van telezsúfolva: a zenészek a hegedűláb "rossz" részén, a nyakon játszanak a vonóval és sűrűn alkalmazza a hangfürtöket (több szomszédos hang egyidejű megszólaltatása). Szintén lelkes fogadtatásra talált az 1963 és 1966 között született Lukács Passió, nemcsak újszerűsége, hanem a kommunista országban szokatlan vallásos témaválasztás miatt is. A műben a kísérletezés mellett barokkos formákat és hagyományos harmóniákat is alkalmazott, egyik alapmotívuma a B-A-C-H hangsor volt.
 
Penderecki számtalan zenei műfajban alkot. 1974-ben keletkezett a szintén vallásos tárgyú Magnificat, a néhai II. János Pál pápának ajánlotta Te Deumját (1980), később a Benedictus című zeneművét. A három tenor ötlete alapján 2001-ben komponálta Concerto grossóját, amely a zenetörténet eddigi egyetlen három csellóra írt versenyműve. Négy operát írt (Loudoni ördögök, Az elveszett paradicsom, A fekete álarc, Übü király), három éve elkészült 8. szimfóniája elégia a kipusztuló fákról. (A meggyőződéses környezetbarát zeneszerző házának parkjában ezernél is több fafajtával beültetett arborétumot hozott lére, amelyről könyvet ír.) A Lengyel Rekviem a Szolidaritás felkérésére az 1970-es gdanski sortűz áldozatainak emlékére született. 1972 óta vezényel is, ha csak teheti, saját darabjait ő dirigálja - kollégáitól eltérően azonban kezével alig, lábával viszont annál inkább diktálja a tempót.

A hetvenes évek közepétől kételyei támadtak saját hangjával kapcsolatban, az avantgárdból "kiábrándulva" egyre "hagyományosabb", a széles közönség által is befogadható darabokat ír. Talán ezért is napjaink egyik legnépszerűbb, legismertebb és leghallgatottabb komponistája, zenéje felcsendül egyebek között a Stephen King regényéből készült, hátborzongató Ragyogásban, az Ördögűző című horroban és Andrzej Wajda a katyni mészárlásról szóló történelmi drámájában.

Penderecki, aki számtalan kitüntetés birtokosa, többször járt Magyarországon, legutóbb 2007 februárjában vezényelt Budapesten.