Równocześnie zajął się komponowaniem muzyki dla teatru i filmu. Pierwszym spektaklem teatralnym z muzyką Pendereckiego był Złoty kluczyk/ Jekateriny Borysowej w reżyserii Władysława Jaremy (premiera 12 maja 1957 roku w Krakowie w Teatrze Lalek „Groteska”). W 1959 roku w Studiu Filmów Rysunkowych w Bielsku-Białej stworzył muzykę do pierwszego filmu animowanego Bulandra i diabeł w reżyserii Jerzego Zitzmana i Lechosława Marszałka. W 1959 roku napisał partyturę do pierwszego krótkometrażowego filmu fabularnego Jana Łomnickiego Nie ma końca wielkiej wojny (WFDiF Warszawa). W kolejnych latach stworzył ponad dwadzieścia oryginalnych opraw muzycznych spektakli dramatycznych, ponad 40 – lalkowych oraz skomponował oryginalną muzykę do co najmniej jedenastu filmów dokumentalnych i fabularnych oraz do dwudziestu pięciu filmów animowanych dla dorosłych i dla dzieci.
Międzynarodowy rozgłos przyniosły mu utwory o oryginalnej kolorystyce dźwiękowej, często wykorzystujące niekonwencjonalne techniki artykulacji (np. stukanie w denko instrumentów smyczkowych). Taka technika kompozytorska otrzymała miano sonoryzmu, w tym stylu skomponowana została m.in. Pasja według św. Łukasza.