59-годишният бивш национал заменя на поста временния наставник Александър Георгиев, който води столичани в края на последната кампания след напускането на Станислав Генчев на 27 април.
Той за последно води Локомотив (Пловдив) до 11 ноември 2024 година. Сега той се завръща в треньорската професия, след като се пребори с онкологично заболяване, което му беше открито през ноември миналата година, след което премина лечение в Германия.
В кариерата си на клубно ниво Пенев е бил старши треньор още на родния си ЦСКА, на Литекс, Ботев Пловдив, на дублиращия отбор на испанския Валенсия, на Царско село, ЦСКА 1948 и Хебър.
В периода 1 ноември 2011 - 20 ноември 2014 година той е селекционер на националния отбор на България. по футбол.
