Penzing liegt im Südosten des Gemeindebezirks. Es grenzt im Westen an den Bezirksteil Baumgarten und im Norden an den Bezirksteil Breitensee. Östlich von Penzing liegt Rudolfsheim im 15. Gemeindebezirk Rudolfsheim-Fünfhaus und südlich, jenseits des Wienflusses, der 13. Gemeindebezirk Hietzing. Die Katastralgemeinde Penzing erstreckt sich über eine Fläche von 192,71 ha.
An der Furt durch den Wienfluss wurde hier bereits um 800 eine Siedlung gegründet. Die Bezeichnung Penzing wird von dem Namen „Benzo“ abgeleitet, die Siedlung wird erstmals 1130 als „Pencingen“ urkundlich erwähnt.
Der Ortskern entwickelte sich entlang der Penzinger Straße, zuerst zwischen der Einwanggasse und der Nisselgasse. Zur Zeit der Eingemeindung in die Stadt Wien im Jahr 1891 war der Bereich zwischen Wienfluss und Linzer Straße von der Schlossallee und Ameisgasse bereits ein geschlossener Ortskern, was auch auf die Nähe zum Schloss Schönbrunn zurückzuführen ist. Es erfolgten Betriebsansiedlungen und Penzing entwickelte sich auch zu einer beliebten Sommerfrische.
Bis zur Regulierung des Wienflusses, die in diesem Bereich erst im Jahr 1895 erfolgte, wurde Penzing immer wieder durch Überschwemmungen in Mitleidenschaft gezogen. Auch durch die Türkenbelagerungen kam es zu großen Zerstörungen. Penzing gibt heute dem 14. Wiener Gemeindebezirk seinen Namen. Ursprünglich gehörte Penzing zum 13. Bezirk (Hietzing), 1938 wurden die Hietzinger Bezirksteile nördlich des Wienflusses dem neuen 14. Bezirk Groß-Wiens zugeordnet, die heutigen Bezirksgrenzen wurden 1946 festgelegt.
Die römisch-katholische Pfarrkirche Penzing wurde 1267 erstmals urkundlich erwähnt. Im Zuge der beiden Türkenbelagerungen 1529 und 1683 wurde sie schwer beschädigt, 1758 erfolgte ein grundlegender barocker Umbau. 1945 wurde gegen Ende es Zweiten Weltkrieges das Turmdach vernichtet, nach dem Wiederaufbau 1945/46 wurde anstelle des Zwiebeldachs ein Keildach errichtet. Gegenüber der Kirche befindet sich die Penzinger Lichtsäule, ein spätgotischer Tabernakelpfeiler aus dem 15. Jahrhundert.
In dem 1873 errichteten alten Amtshaus befindet sich das Bezirksmuseum Penzing. Das Wohnhaus Töpfelhaus wurde etwa 1740 erbaut und ist nach seinem langjährigen Besitzer Johann Töpfel benannt.
Das Palais Cumberland ist um 1760 durch den Umbau eines älteren Palais entstanden. Das Palais wurde später nochmals verändert und teilweise abgetragen. 1867 wurde es mit einem Nachbarhaus zur Residenz von König Georg V. von Hannover umgebaut (der unter dem Titel Herzog von Cumberland in Österreich im Exil lebte). Im Palais befanden sich jahrelang Kunstsammlungen der Familie, darunter der berühmte Welfenschatz. Heute ist ein Teil des Palais Sitz des Max-Reinhardt-Seminars, ein anderer beherbergt die Tschechische Botschaft.
In der Cumberlandstraße befindet sich die evangelische Kreuzkirche, die 1930/31 erbaut wurde.
