Ab Januar 1942 war sie wieder einsatzbereit und sicherte Malta-Konvois. Vom 1. September 1942 bis Anfang 1943 erfolgte eine große Werftliegezeit auf der Marinewerft New York. Danach verlegte sie wieder ins Mittelmeer. Im Juni 1943 nahm das Schiff an Landzielbeschießungen und Landungen auf den italienischen Inseln Pantelleria und Lampedusa teil, im Juli an den Landungen auf Sizilien und im September 1943 in Salerno (Operation Avalanche). Danach operierte die HMS "Penelope" im Oktober 1943 gegen deutschen Schiffsverkehr im Dodekanes. Bei einer dieser Fahrten wurde sie am 7. Oktober durch Bombentreffer deutscher Flugzeuge des Sturzkampfgeschwaders 3 beschädigt. Ende 1943 jagte sie deutsche Sperrbrecher im Atlantik. Anfang 1944 kehrte sie wieder ins Mittelmeer zurück und unterstützte am 22. Januar 1944 die alliierte Landung bei Anzio/Nettuno (Operation Shingle). Auf dem Rückmarsch von dieser Operation wurde die HMS "Penelope" am 18. Februar 1944 vom deutschen U-Boot "U 410" (Olt. z. S. Horst-Arno Fenski) versenkt, wobei 417 von 623 Besatzungsmitgliedern umkamen.