Nach der Promotion in Leipzig war Penck zunächst bei der geologischen Landesaufnahme in Sachsen beschäftigt, habilitierte sich 1882 in München und wurde drei Jahre später als Professor für physische Geographie nach Wien berufen, wo er bis 1906 wirkte. Als Nachfolger Ferdinand von Richthofens übernahm er dann den Lehrstuhl an der Berliner Universität und wurde zugleich Direktor des Museums für Meereskunde. 

Penck vereinigte in seinem Wirken in hervorragender Weise Forschung, Lehre und Organisationstalent. Sein Spezialgebiet war die Geomorphologie. Für die Deutung und Klassifizierung der Eiszeitphänomene der Alpen und des Alpenvorlandes hat er Bahnbrechendes geleistet (Die Alpen im Eiszeitalter, 1901 bis 1909, zusammen mit Eduard Brückner).