22 stycznia 1944 „Penelope” wzięła udział w ubezpieczaniu desantu pod Anzio, a następnie wspierała wojska na lądzie. 18 lutego 1944 o godz. 7.30 podczas powrotu z Neapolu pod Anzio, „Penelope” została storpedowana z odległości 800 m przez niemiecki okręt podwodny U-410 (typu VIIC, dowódca por. mar. Horst-Arno Fenski). Według danych niemieckich, okręt został trafiony dwiema torpedami, z tego po ok. 15 minutach drugą, naprowadzaną akustycznie T-5 Zaukönig. Krążownik następnie szybko zatonął, na północny zachód od Neapolu (). Zginęło 417 członków załogi wraz z dowódcą komandorem George Belbenem (inne dane 415), uratowano 206 marynarzy. Był to wyjątkowy podczas wojny atak torpedowy, gdyż krążownik w chwili trafienia płynął z dużą prędkością 26 węzłów. „Penelope” była ostatnim brytyjskim krążownikiem zatopionym podczas wojny. Według danych brytyjskich, oprócz zatopionych statków i okrętów, „Penelope” podczas wojny zestrzeliła 7 samolotów.