Penrose a toujours fait preuve, dans ses différents travaux et ouvrages, d'une grande originalité d'esprit et a pris des positions controversées sur des problèmes physiques et épistémologiques importants.
Penrose défend, dans ses principaux ouvrages, une vision platonicienne des Mathématiques et rejoint, sur le fond, les positions similaires de Roland Omnès ou Alain Connes. Il exprime sans ambiguïté son point de vue, par exemple dans "L'esprit, l'ordinateur et les lois de la physique" :
« j'imagine que chaque fois que l'esprit perçoit une idée mathématique, il prend contact avec le monde platonicien des idées [...] Quand nous "voyons" une idée mathématique, notre conscience pénètre dans ce monde des idées et prend directement contact avec lui. »
Dans le même ordre d'idée, Penrose exprime sa croyance en la puissance heuristique des mathématiques pour nous guider sur le chemin des théories physiques décrivant adéquatement le monde. Notamment, il met en avant la cohérence, la beauté des structures, et la fécondité mathématique des nombres complexes, pour en faire un fondement ontologique des théories physiques, et notamment de la théorie des twisteurs dont il est à l'origine.
En conséquence de son platonisme, Penrose s'interroge sur les connexions entre la conscience humaine et les lois de la physique, dans deux ouvrages principaux L'esprit, l'ordinateur et les lois de la physique et Les ombres de l'esprit.
Il tente tout d'abord de démontrer que les ordinateurs (fondés sur le principe des machines de Turing et des systèmes formels) sont fondamentalement dans l'incapacité de modéliser l'intelligence et la conscience. En effet, les ordinateurs sont des systèmes déterministes, possédant toutes les limitations des systèmes formels, par exemple l'insolvabilité du problème de l'arrêt ou le théorème d'incomplétude de Gödel. Selon lui, l'esprit d'un authentique mathématicien est capable de surmonter ces limitations, car il a la capacité de s'extraire au besoin du système formel dans lequel il raisonne, quel que soit celui-ci. Il élabore ainsi de façon plus complète les critiques de John Lucas adressées au computationnalisme.
La compréhension même de la démonstration du théorème d'incomplétude de Gödel, faisant appel à l'argument de la diagonale de Cantor, est selon lui une illustration de cette capacité. Car, de même que comprendre l'argument de la diagonale de Cantor nécessite de "visualiser" un nombre qui n'appartient pas à la liste infinie des nombres de Cantor, comprendre la démonstration du théorème de Gödel nécessite également de "visualiser" une vérité (dont on est "intimement" convaincu qu'il s'agit d'une vérité), qui ne fait pas partie de la liste infinie des vérités établie par le système formel de Gödel utilisé pour sa démonstration. Cette "visualisation" nécessite de "s'extraire" du système formel utilisé par Gödel. Cette "extraction" pourrait certes être formalisée dans un ordinateur, mais pas pour tous les systèmes formels possibles. Alors qu'un mathématicien en est à priori capable, selon Penrose, dans tous les systèmes formels imaginables.
Cette démonstration a suscité la controverse et la critique, a laquelle Penrose s'est attaché à répondre point par point dans Les ombres de l'esprit. Malgré tout, ce point de vue reste assez isolé dans la communauté scientifique.
Même s'il refuse la possibilité d'une intelligence ou d'une conscience pour une machine de Turing (et donc pour un ordinateur traditionnel), Penrose n'exclut pas la possibilité d'une intelligence artificielle, qui serait fondée sur des processus quantiques. Car selon lui, ce sont des processus quantiques et notamment le processus de réduction du paquet d'onde (qui ne peut être modélisé par un système formel, car - entre autres - fondamentalement indéterministe) qui entrent en jeu dans le phénomène de la conscience.
Pour développer ce dernier point, il développe ses vues sur le problème de la mesure quantique, et il propose des solutions biologiques permettant à des phénomènes de superposition quantique de prendre place dans le cerveau.