Флаг Пеновского района утверждён Решением Собрания депутатов Пеновского района № 36 от 23 сентября 2003 года.

Прямоугольное полотнище с соотношением сторон 2:3, разделённое на две равновеликие горизонтальные полосы: светло-синюю и белую с красным равноконечным треугольником со стороны древка, вдоль которого проходит красная полоса, соединённая с треугольником без какой-либо разделяющей линии. На красной части полотнища изображена белая с чёрной головой и белым клювом чайка. На светло-синей части полотнища – белая рыба. На белой части полотнища – светло-синяя рыба. Поверх линии разделения светло-синей и белой полос расположена у свободного края полотнища рыба, имеющая белую расцветку на светло-синем фоне и светло-синюю на белом; чайка и рыба обращены к древку. Соотношение ширины красной полосы и длины полотнища флага 1:10; соотношение высоты красного треугольника и длины полотнища флага 1:15.

Флаг повторяет композицию герба (1997). Автор композиции - И.Л.Шумов. У древка на красном клине изображена птица пеночка, в вольной части на синей и белой горизонтальных полосах три рыбы обратных цветов.

Рыбы взяты с герба Осташковского уезда, в который входила территория Пеновского района, рыбы также символизируют природные богатства (озёра). Чайка напоминает о партизанке Лизе Чайкиной - главе подпольного райкома партии, казнённой фашистами в посёлке Пено.

Флаг района внесён в Государственный геральдический регистр под № 1489.

Текстовые материалы взяты с сайта "Регионального геральдического центра"

В 2020 году муниципальное образование "Пеновский район" преобразовано в Пеновский муниципальный округ, при этом все муниципальные образования первого уровня упразднены. В административно-территориальном отношении Пеновский район тогда же преобразован в Пеновский округ.