Родился в 1838 году, воспитывался в Скопинском духовном училище и Рязанской духовной семинарии, откуда до перехода в богословский класс поступил в Медико-хирургическую академию в 1858 году. По окончании курса в акдемии (1864) был оставлен при ней ассистентом клиники профессора Боткина по 1868 год, когда был командирован за границу на 2 ? года, из которых 2 года работал в Вене, а остальное время провёл в Париже. Еще до поездки за границу защитил в 1867 году диссертацию на доктора медицины: «Склероз артериальной системы как причина последовательного страдания сердца». В начале 1871 года приват-доцент кожных болезней, в 1876 году адъюнкт-профессор, в 1893 году — ординарный профессор, а в 1894 году за выслугой 30 лет вышел в отставку.
Полотебнову принадлежит длинный ряд научных работ не только по своей специальности, но и по многим другим научным и общественным вопросам, из которых особого внимания заслуживают: «Ueber d. Ursprung u. Vermehrung d. Bacterien» (1869), монографии «Растительные организмы как причина заразных болзней» (1871), «Патологическое значение плесени» (1873); но главнейшие его труды относятся к дерматологии, из них многие собраны в изданных «Дерматологических исследованиях из клиники проф. Полотебнова» (2 вып.), как, напр., «К учению об эритемах» (пер. на нем. яз.), «Рожа, лечение и аномальные формы» (и по-нем.), «Нервные страдания кожи» (и по-нем.), «Lichen ruber», «Ichthyosis», «Psoriasis» (и по-нем.). Другие работы: «Заразительна ли проказа» («Воен.-мед. журн.», 1890) и в особенности прекрасное «Введение в курс дерматологии» (ibid., 896), переведённое и на немецкий яз.
Полотебнову принадлежит громадная и неоспоримая заслуга — он первый настойчиво выдвинул в России, вопрос о необходимости широкой постановки преподавания кожных болезней медицинским студентам. Застав по своём возвращении из-за границы обстановку преподавания этой специальности в самом зачаточном состоянии, и то лишь в одной медицинской академии, он в горячо написанной статье («Современное состояние дерматологии в России», 1882) выяснил всю важность этой специальности для русских врачей. Результатом явилось введение сифилидологии и дерматологии как обязательного предмета по университетскому уставу 1884 года. Другая громадная заслуга Полотебнова как научного деятеля — в его самостоятельной разработке болезней кожи. Путем всестороннего изучения кожных больных в своей клинике Полотебнов выяснил связь страданий кожи с целым рядом поражений внутренних органов и нервной системы. Под руководством Полотебнова и из его клиники вышло 28 работ его учеников, из которых Зеленков и Стуковенков сами заняли кафедры сифилидологии и дерматологии в русских университетах.