Il rejoint alors l'Ecole de perfectionnement d'Etampes avant d'intégrer l'Ecole de l'Air à Salon de Provence. Fin 1938, sa formation de pilote est terminée et il reçoit sa première affectation à la 1ere Escadrille du GC I/5 en octobre 1938 à Reims.

En cette fin de décennie, la perspective d'une guerre devient de plus en plus inéluctable et l'invasion de la Pologne en septembre 1939 marque le début de ce qui deviendra le plus grand conflit de tous les temps.

Côté Français, ce début de guerre est marqué par une situation d'attente plus connue sous le nom de drôle de guerre mais qui n'eu de drôle que le nom, avec ses rares victoires, ses missions infructueuses et ses premiers morts. Au cours de cette période, Dominique Penzini effectue de nombreuses sorties.

Dès le 26 septembre, un premier accrochage avec l'ennemi a lieu. La rencontre se solde sans perte mais au terme du combat le niveau de carburant est au plus bas. Dominique Penzini, réservoirs à sec, parvient à poser son Curtiss après un long vol plané débuté à 3000 mètres d'altitude. Il est chaudement félicité par le commandant d'unité pour sa performance qui aura permis d'éviter la perte d'un appareil.

Après quelques succès en septembre, le Groupe poursuit ses missions sans parvenir à augmenter son palmarès. Il perd aussi ses premiers pilotes en la personne de qui se trouvent des amis de Dominique Penzini. Début 1940, on lui propose d'aller suivre des cours à l'Ecole des Officiers de Réserve mais après 2 semaines de formation il demande à retourner dans son unité, préférant rester auprès de ses camarades en ces périodes troublées où tout peut rapidement basculer.

Le premier jour de l'offensive à l'Ouest, le 10 mai 1940, il est debout à 4 heures 30 du matin et vole comme équipier de Marin la Meslée. Ils engagent une formation de Do 17 sans résultat. Le 12 mai, Dominique Penzini part en début de matinée en compagnie de l'Adjudant-Chef Bouvard et du Sergent-Chef Muselli. Au cours d'un engagement avec des bombardiers Do 17, l'Adjudant -Chef Bouvard est grièvement blessé au visage et Muselli doit se poser sur le ventre après que son appareil ait été touché par le tir défensif des bombardiers.

Plus tard dans la journée, 6 appareils décollent et interceptent un premier groupe de Do 17 du KG 3. Le Capitaine Accart est légèrement blessé dans l'engagement et doit regagner sa base. Un peu plus tard, les 5 appareils restants interceptent des Ju 87 près de la frontière Belge et font un véritable carnage sans perte côté Français. En quelques minutes, Dominique Penzini vient de réaliser un triplé avec 2 victoires individuelles et 1 en collaboration avec le Sous-Lieutenant Rey et le Lieutenant Marin la Meslée. Il a tiré 2200 cartouches et reçu 5 projectiles dans son propre appareil.

Nouvel affrontement dès le lendemain mais sans résultat pour Dominique Penzini qui doit rompre le combat pour cause de problèmes mécaniques. Le 16 mai, il remporte son 5eme succès mais qui est seulement sa 4eme victoire confirmée. Dix jours plus tard, le 26 mai, en accrochant deux nouvelles victoires sur des He 111 à son palmarès, il devient un As. Le 1 juin, il repère un Hs 126 en mission d'observation et passe à l'attaque.

L'appareil Allemand tente de se protéger en volant au ras du sol mais Dominique Penzini ne lâche pas et l'appareil finit par s'écraser à Martincourt-sur-Meuse. Touché par le tir défensif, Penzini doit cependant se poser sur le ventre. Le 7 (ou le 10 !!!), il abat un Ju 88 en collaboration avec d'autres pilotes et le 12 juin, il remporte une neuvième et dernière victoire sur un Hs 126 en collaboration avec le Capitaine Vasatko et le Lieutenant Rouquette.

Le jour même, le repli débute ; Saint-Parrès-les-Vaudes tout d'abord puis Avallon, Bourges, Vichy, Carcassonne et Perpignan le 18 juin. Le 20, le Groupe traverse la Méditerranée en direction d'Alger puis Oran le 22 (Saint-Denis-du-Sig).

Dominique Penzini se trouve à Oran lors de l'attaque Britannique contre la flotte ancrée à Mers-El-Kébir mais après avoir pris la direction de la rade prise sous le feu des Anglais, ils n'engageront finalement pas le combat. Puis le Groupe s'installe durablement en Afrique du Nord, à Oran puis à Rabat.

Mais à cette époque, Dominique Penzini est très malade et on diagnotique rapidement un kyste amibien qui doit être opéré d'urgence le 20 août 1940. Cette intervention doit mettre fin à sa carrière, comme l'en avisent ses supérieurs mais Dominique Penzini n'est pas homme à se laisser couper les ailes sans rien dire et après une longue période de convalensence il lance un véritable défi à l'équipe médicale chargée de déterminer son aptitude éventuelle au vol en lançant : "Si j'arrive à sauter à la perche, alors vous me laisserez piloter à nouveau". En 1941; il est champion du Maroc de saut à la perche avec 3 mètres 40.

Le 8 novembre 1942, nouvel affrontement avec les Alliés d'hier, à l'occasion du débarquement Anglo-Américain du 8 novembre 1942. Cette fois, l'affrontement sera plus meurtrier puisque le Groupe a deux tués et 1 blessé le 9 novembre. Mais les combats sont brefs et bientôt, les Forces Françaises rejoignent le camp de la liberté. Rééquipé d'appareils américains, le Groupe reprend l'entraînement puis le combat en Afrique du Nord à l'occasion de la Campagne de Tunisie. En mai, Dominique Penzini est détaché quelque temps pour renforcer le GC II/5 avant re revenir au GC I/5 le mois suivant.

En août 1944, Dominique Penzini est à nouveau affecté en renfort au GC II/5 qui a subit quelques pertes. une fois le débarquement de Provence terminé, il rejoint le GC I/5 à Salon de Provence et après plusieurs missions sur l'Italie, le Groupe pourchasse les troupes Allemandes le long de la vallée du Rhône.

Après un rapide passage au terrain d'Ambérieur du 7 au 29 décembre 1944, le GC I/5 s'installe à Dôle. Les missions se poursuivent et au début de l'année 1945 le groupe perd l'une de ses figures emblématiques en la personne de Marin la Meslée, abattu la 20 janvier par la Flak. C'est à cette époque que Dominique Penzini quitte le groupe, sa demande pour rejoindre le "Normandie-Niemen" ayant été enfin accordée.

Après un trajet en train de Dôle à Paris, ses douzes camarades et lui embarquent dans un C-47 à destination de Téhéran. Après 1 mois d'attente pour obtenir les visa pour l'URSS, ils arrivent enfin à Toula le 7 avril 1945 par une fraîche température de - 40°C. Dans l'intervalle, les Soviétiques ont fait tomber la plupart des résistances Allemandes et ils sont désormais aux portes de Berlin.

Il fait également partie de la patrouille de démonstration du "Normandie-Niemen" sur Yak 3 dont il devient leader après la mort de Robert Marchi. Il effectuera 34 démonstrations en meeting, essentiellement à bord du Yak 3 Numéro 22, son appareil attitré. Après le passage du Groupe sur Mosquito, il suit le "Neu Neu" au Maroc en 1947. Promu Capitaine le 1 avril 1950, il rejoint Cazaux et termine sa carrière le 18 mai 1952.