Родители Стрепетовой и точная дата рождения Полины неизвестны, её ребёнком подкинули на крыльцо дома нижегородского театрального парикмахера Антипа Стрепетова. В его семье она и была воспитана. Детство провела в Нижнем Новгороде.
С приёмными родителями девочке определённо повезло. Антип Григорьевич Стрепетов был человеком, что называется, редкой души, разве что увлекался водкой, которая в конце концов и свела его в могилу. Приёмная мать Елизавета Ивановна слыла даровитой актрисой, обладательницей неплохого сопрано, и одновременно дамой высоких моральных качеств. Вместе со своими сёстрами и братьями служила в крепостном театре Д. Д. Шепелева (её отец, Иван Кочетов, был управляющим его выксунского имения). Пела в опере. Так что в семье культивировали любовь к сцене, но бдительно ограждали детей от закулисной грязи. Но Полина уже в детстве решила, что станет актрисой.
Стрепетова впервые вышла на театральную сцену в 1865 году в Рыбинске. Она не получила театрального образования, но многое восприняла от товарищей по сцене: ученицы М. С. Щепкина — А. И. Шуберт, своего мужа — видного актёра М. И. Писарева и других.
Среди ранних ролей Полины Стрепетовой: Верочка («Ребёнок» Боборыкина), Софья («Перемелется — мука будет» Самарина, 1866). В первые годы пребывания на сцене Стрепетовой приходилось играть в драме, комедии, водевиле, оперетте («Фауст наизнанку», «Фру-Фру», «Прекрасная Елена» и др.).
Горячая любовь к народу, дух активного протеста против угнетения делали искусство Стрепетовой близким устремлениям революционно-демократической интеллигенции. Стрепетова первая в русском театре раскрыла духовную силу русской женщины.
В Саратовском театре она встретилась с будущим мужем — актёром Михаилом Стрельским, и эта встреча стала роковым поворотом судьбы. Избалованный красавец не ограничивал себя в любовных связях и кроме того имел законную супругу, проживавшую за границей. Терпеть и молчать Стрепетова не умела, а потому нервные срывы и бурные ссоры становились всеобщим достоянием. Но Полина вынуждена была переезжать из города в город в качестве незаконной жены Стрельского, поскольку уже ждала ребёнка и на собственный ангажемент рассчитывать не могла.
Талант Стрепетовой как трагедийной актрисы проявился в период работы её в Казани (1871). Здесь она с огромным успехом играла свои лучшие роли — Лизавета («Горькая судьбина» Писемского), Катерина («Гроза» Островского), Марья Андреевна («Бедная невеста» Островского), Аннета («Семейные расчёты» Куликова).
В 1876 году Полина Стрепетова впервые выступила на сцене Александринского театра. С 1881 по 1890 в Александринском театре Полина сыграла свыше 30 ролей. Её талант ценили И. С. Тургенев, В. И. Немирович-Данченко, П. И. Чайковский. Портреты Стрепетовой писали И. Е. Репин, В. М. Васнецов, Н. А. Ярошенко.
Последние годы жизни Стрепетова провела в Санкт-Петербурге. В 1895—1896 играла в Малом (Суворинском) театре и писала воспоминания, правда закончить их не успела.
1881—1882 — набережная реки Фонтанки, 19.
1882—1884 — Лиговский проспет, 67.
1884—1893 — Пушкинская улица, 10, кв. 25 (мемориальная доска).
1893—1903 — Клинский проспект, 27.