Η οικογένεια Μπενάκη μετακόμισε προσωρινά στην Αθήνα το 1882, όπου η Πηνελόπη παντρεύτηκε τον πλούσιο Φαναριώτη έμπορο Στέφανο Δέλτα. Μαζί του απέκτησε τρεις κόρες: τη Σοφία (μετέπειτα Μαυροκορδάτου), τηΒιργινία (μετέπειτα Ζάννα) και την Αλεξάνδρα (μετέπειτα Παπαδοπούλου). Επέστρεψαν στην Αλεξάνδρεια το 1905, όπου η Πηνελόπη γνώρισε τον Ίωνα Δραγούμη, τότε υποπρόξενο της Ελλάδας στην Αλεξάνδρεια. Ανάμεσά τους αναπτύχθηκε ένας μεγάλος έρωτας, η Πηνελόπη όμως δεν μπορεί να αντιταχθεί στις κοινωνικές επιταγές και την υποχρέωσή της απέναντι στο σύζυγο και τα παιδιά της. Η πλατωνική αυτή σχέση της Πηνελόπης Δέλτα με τονΔραγούμη τελειώνει το 1908, όταν αυτός συνδέεται με τη Μαρίκα Κοτοπούλη.

Η Δέλτα μετακόμισε στη Φρανκφούρτη το 1906 και το πρώτο της μυθιστόρημα, με τίτλο «Για την Πατρίδα», εκδόθηκε το 1909. Το μυθιστόρημα εκτυλίσσεται κατά τη διάρκεια της Βυζαντινής Αυτοκρατορίας και σύντομα ακολουθεί και το δεύτερο μυθιστόρημά της, «Τον Καιρό του Βουλγαροκτόνου». Το στρατιωτικό κίνημα στο Γουδί το 1909 την εμπνέει να γράψει το «Παραμύθι χωρίς όνομα» (1911).

Το 1913 η οικογένεια Δέλτα επιστρέφει στην Αλεξάνδρεια και το 1916 εγκαταστάθηκαν μόνιμα στην Αθήνα, όπου ο πατέρας της Δέλτα, Εμμανουήλ Μπενάκης, είχε εκλεχθεί δήμαρχος. Ανέπτυξαν στενή φιλία με τον Ελευθέριο Βενιζέλο, τον οποίο και προσκαλούσαν συχνά στην εξοχική τους οικία στην Κηφισιά. Το 1925 εκδίδεται «Η ζωή του Χριστού», ενώ την ίδια χρονιά εμφανίζονται τα πρώτα συμπτώματα της πολιομυελίτιδας, αρρώστιας που θα την ταλαιπωρήσει μέχρι τον θάνατό της. Το 1929 ξεκίνησε τη συγγραφή της τριλογίας «Ρωμιοπούλες», η οποία τελείωσε το 1939. Το πρώτο βιβλίο, «Το Ξύπνημα», καλύπτει γεγονότα των ετών 1895-1907, η «Λάβρα» καλύπτει τα έτη1907-1909 και το «Σούρουπο» τα έτη 1914-1920.

Εν τω μεταξύ, εκδόθηκαν άλλα τρία μυθιστορήματά της: ο «Τρελαντώνης» (1932), όπου περιγράφει τις περιπέτειες του αδερφού της, όταν όλα τα αδέρφια ήρθαν από την Αίγυπτο να περάσουν το καλοκαίρι με τη θεία τους (σε ένα σπίτι του Τσίλερ) στον Πειραιά, ο «Μάγκας» (1935), η ζωή στην Αλεξάνδρεια με τα μάτια του μικρού σκυλιού της οικογένειας, και τα «Μυστικά του Βάλτου» (1937), όπου η ιστορία εκτυλίσσεται γύρω από τη λίμνη των Γιαννιτσώνκατά τη διάρκεια του Μακεδονικού Αγώνα.

Το 1941 ο Φίλιππος Δραγούμης εμπιστεύεται στη Δέλτα τα ημερολόγια και το αρχείο του αδερφού του, Ίωνα Δραγούμη, στα οποία η Δέλτα πρόσθεσε περίπου 1000 χειρόγραφες σελίδες με σχόλια για το έργο του Δραγούμη. Στις27 Απριλίου 1941, ημέρα όπου τα γερμανικά στρατεύματα καταλαμβάνουν την Αθήνα, η Πηνελόπη Δέλτα αυτοκτονεί παίρνοντας δηλητήριο, ενώ είχαν ήδη προηγηθεί άλλες δύο απόπειρες αυτοκτονίας στο παρελθόν. Στον τάφο της, στον κήπο του σπιτιού της, χαράχτηκε η λέξη ΣIΩΠH.