Een penwortel is een sterke hoofdwortel die voorkomt bij een aantal planten. Hij groeit recht naar beneden.
Bij boomsoorten zoals den, eik en es verankert de wortel de boom en zorgt ervoor dat deze ook uit diepere bodemlagen water en voedingsstoffen kan halen. Andere planten maken een sterk verdikte penwortel voor opslag van reservevoedsel. Vaak zijn dit tweejarige soorten, maar hij komt ook voor bij eenjarige planten zoals herderstasje. De vorm van de wortel kan per soort sterk verschillen. Hij kan kort tot zeer lang en min of meer rond, conisch of cilindervormig zijn.
Een aantal penwortels wordt als voedsel voor mens of dier gebruikt. Voorbeelden zijn worteltjes, schorseneren en voederbieten.