Tvåfaldiga Olympian, 38, berättade BBC Sport landet måste straffas för sin pågående doping kris.
"Skalan, samordningen och ledarskapet av ett dopingsystem som detta är utan tvekan det mest avskyvärda brott som är möjligt mot den olympiska rörelsen", sade den tidigare skelett racer.
"Så, något motvilligt, leder man mig till en slutsats: uteslutning från Rio."
Många olympiska och paralympiska stjärnor i Storbritannien har gett sitt stöd åt ett brev från The Times till IOC, där organisationen uppmanas att förbjuda Ryssland från Rio.
Undertecknarna inkluderar simmaren Rebecca Adlington, 400m hinderar Sally Gunnell, lång hoppare Lynn Davies och 11-tiden paralympisk guldmedaljör baronessan Tanni Grey-Thompson.
Brevet, som organiserades av tidningen, har skickats till IOC:s styrelse, som kommer att fatta beslut om huruvida Rysslands deltagande ska förbjudas helt och hållet.
International Association of Athletics Federations (IAAF) har redan uteslutit Rysslands spår- och fältteam från spelen.
Pengilly, en medlem av IOC: s idrottskommission och en av fyra brittiska IOC medlemmar, medgav: "Jag säger motvilligt [att Ryssland bör förbjudas] eftersom det förmodligen finns rena ryska idrottare, och de kommer att lida, och detta är inget annat än fruktansvärt.
"Det är ett otroligt svårt beslut. Det finns inget rättvist resultat för alla."
Men han insisterade: "Den ryska flaggan bör inte flygas vid de olympiska spelen i Rio."
Under 2013 fick Pengilly beröm för att ha tagit upp frågan om doping före omröstningen för att besluta en mängd av spelen 2020, och ifrågasatte både Spanien och Turkiet under deras anbudspresentationer i Buenos Aires.
Ryssland skulle kunna ställas inför ett totalförbud efter en fördömande rapport som sammanställts av den kanadensiska rättsprofessorn Richard McLaren hävdade att landet drev ett statssponsrat dopingprogram från 2011 till 2015.
IOC undersöker "juridiska alternativ" innan man beslutar om man ska införa ett "kollektivt förbud" mot alla ryska konkurrenter för den globala showpiece, som börjar den 5 augusti.
Ett beslut av styrelsen kan komma på söndag.
"Ren idrottare, de olympiska spelen och den bredare olympiska rörelsen har hånats," Pengilly sade.
"Men Ryssland är en viktig idrottsnation - vi vill ha och behöver dem fullt delaktiga i framtiden, men bara när de kan göra det rent.
"Därför är jag övertygad om att vi bör erbjuda stöd och hjälp till Ryska federationen så att de kan fly från denna fula kultur och cykel."
Ryssland kommer att få reda på i augusti om det ska förbjudas från 2016 års paralympik i Rio.
Internationella paralympiska kommittén (IPC) har "inledt avstängningsförfaranden" efter offentliggörandet av McLaren-rapporten tidigare i veckan.
Paralympian David Weir har anklagat IPC för att vara "naiva" i sin hantering av doping anklagelser.
Rullstolsidrottaren, som vann fyra guld i London 2012, sade till BBC Sport: "Det ser ut som om de är naiva och kanske trodde att paralympianer inte fuska, men de är alla offentligt finansierade och det finns sponsorer så om du vill att marginalvinst kanske du kommer att fuska.
"IPC borde ha lagt ner foten direkt."
Den tidigare sovjetpresidenten Michail Gorbatjov sade att han var "adderad" av den "oacceptabla" utsikten till ett totalt förbud mot ryska konkurrenter.
Gorbatjov, Sovjetunionens siste generalsekreterare innan den upplöstes 1991, har skrivit ett öppet brev till IOK.
I den sade han: " Jag stöder kampen mot förbjudna ämnen inom idrotten. Det är ont som måste utrotas. De idrottare som har visat sig vara dopade bör förbjudas från tävlingar.
"Samtidigt är jag bekymrad och djupt bedrövad över möjligheten att om alla ryska idrottare blir förbjudna att tävla i de olympiska spelen, kommer de oskyldiga att straffas tillsammans med de skyldiga."
Ryssland bör förbjudas från Rio 2016, säger British International Olympic Committee ledamot Adam Pengily.