Мама, профессиональная балерина, забрала ее в Афины. Полина провела здесь 2 года, закончив первый класс средней школы и занимаясь изучением греческого языка. В 1993 году году, в связи со смертью отца, они вынуждены были вернуться в Москву. В столице Полина окончила музыкальную школу, затем училась в Эстрадно-джазовом училище. В 2003 году педагог по вокалу Наталья Андриянова пригласила второкурсницу Гагарину для участия в проекте" Фабрика Звезд". По итогам конкурса Гагарина стала победительницей. Продюсер шоу Максим Фадеев предложил ей контракт, но Полина отказалась от сотрудничества. В 2005 году в Юрмале на конкурсе «Новая волна» Полина заняла 3 место, что стало началом ее сольной карьеры. Лейблом АРС Records в 2007 году выпустил ее первый альбом «Попроси у облаков», в который вошли «Колыбельная», «Я твоя» и «Я тебя не прощу никогда». В 2010 году появился второй альбом «О себе». В записи альбома участвовала российская поп-певица Ириной Дубцова. В альбом вошли песни «Кому, зачем?», «Любовь под солнцем» и «Где-то живёт любовь». 1 декабря 2012 года Полина стала победительницей Золотого Граммофона, исполнив песню " Спектакль окончен". В конце года эта песня стала настоящим хитом. 30 ноября 2013 года в Кремлевском дворце на конкурсе «Золотой граммофон-2013» Полина получила вторую статуэтку за композицию "Нет". 11 марта 2015 года было решено делегировать Полину Гагарину с песней «A Million Voices» на конкурс «Евровидение 2014».