創辦之初，學校是一所慈善學院。本傑明·富蘭克林作為學校創建人，認為新的知識來自對現有資源最廣泛的認識和最有創新的運用。這一思想指導着他的研究工作，同時也是他創辦學校的指導方針。他認為要使當時的北美洲達到歐洲那樣的工業、商業和軍事實力，必須提倡和實施注重實際應用的新型教育，培養具有創新思維，對他人的創造反應敏捷，不脫離現實生活的人才。這一教育思想始終貫穿於賓夕法尼亞大學250多年的發展歷程。
1755年，學校改名為費城學院和研究院。1765年學校的第一屆畢業生約翰·莫根創建了北美洲第一所醫學院，使學校成為事實上的大學。但一直到1779年，賓夕法尼亞政府才通過立法對學校進行改組，將其正式命名為賓夕法尼亞州大學。1791年，校名又被縮為賓夕法尼亞大學。1872年，學校放棄了費城市中心的校園，在費城西部購買了大片土地，建設發展成為今天的校園。
學校不同於當時依照英國模式開設老式課程，旨在培養神職人員的三所殖民地學院（哈佛、耶魯、威廉與瑪麗學院），它標誌着新的高等學府模式在北美洲的誕生。甚至從賓大的前身費城學院時代起，學校就深受當時蘇格蘭教育改革的影響，這在當時的北美洲是絕無僅有的。學校的第一任院長，富蘭克林的朋友威廉·史密斯先生就是一位蘇格蘭啟蒙運動的支持者和追隨者，他為美國的教育事業作出了許多貢獻，將科學學科引入學院傳統的希臘語和拉丁語教學大綱之中便是其中一例。可以說賓夕法尼亞大學開創了現代美國教育，不僅首先設立了科學課程，同時還是第一個開設歷史、數學、農學、英語和現代語言等課程的美國大學。
賓夕法尼亞大學曾在許多領域作出了很多開創性貢獻。如：18世紀時曾任大學副校長的天文學家戴維·里滕豪斯創建了幾座著名的機械天文台，其中的一座保留至今，成為校園的景點之一。這種被稱為「太陽系儀」的機械裝置實際上就是一種機械模擬計算機。1946年，賓夕法尼亞大學莫爾電子工程學院又設計出了世界上第一台全數字電子計算機「ENIAC」，開創了計算機的新時代。
