Родилась на окраине Ленинграда, в Калининском районе. Родители Полины были рабочими на местном заводе.
В девять лет родители отдали Полину на театральное отделение Охтинского центра гуманитарно-эстетического воспитания. Здесь на протяжении семи лет она параллельно с учебной в школе получала первые актерские навыки. Окончив в 2003 году школу, Полина поступила в Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики на факультет театрального искусства «Школа русской драмы им. И.О. Горбачёва».
На четвёртом курсе университета Полина отнесла свои фотографии на «Ленфильм», и через две недели её пригласили на пробы сразу к двум фильмам: «Преступление и наказание» и «Яр».Она успешно прошла пробы на оба проекта.
В многосерийном фильме «Преступление и наказание» по одноименному роману Ф.М. Достоевского Полина сыграла роль Сони Мармеладовой, в «Яру» по повести С.А. Есенина - Липы.
После этого Полине посыпались предложения сняться в телесериалах, но она отказывалась, предпочитая роли в авторском кино.
В 2008 на экраны вышел фильм Валерии Гай Германики «Все умрут, а я останусь». Роль малолетней бунтарки Кати Капитоновой принесла Полине сумасшедшую популярность, особенно среди подростков. Картина с успехом демонстрировалась на международных фестивалях в Европе. За роль в этом фильме Полина Филоненко удостоилась премии за лучшую женскую роль Европейского кинофестиваля в Брюсселе.
Следующей значимой работой в кино для Полины Филоненко стала роль в ленте Елены Немых «Я вернусь». Главную роль в фильме исполнила Елизавета Боярская, а Полина сыграла её подругу Тоню, заключённую фашистского концлагеря.
В том же, 2009, году вышла в свет картина Игоря Волошина «Олимпиус инферно», посвященная военному конфликту в Южной Осетии. Полина сыграла там роль российской журналистки Жени.
Актёрские работы:
Дубляж: