Первые годы своей жизни Полина провела в Греции, там же закончила первый класс общеобразовательной школы. Мать Полины — профессиональная танцовщица. В 1991 году мать Полины подписала контракт с греческим продюсером на работу артисткой балета в столице Греции в балете «Алсос». В Афинах Полина прожила три года, она усиленно занималась изучением греческого языка и грамматики. В 1993 году отец Полины скончался от сердечного приступа, семья Гагариных не смогла пережить это трагическое событие вдали от родины, и Полина с мамой приняли решение вернуться в Россию. Но пребывание в России не стало продолжительным. К сентябрю 1993 года Полина вернулась вместе с матерью в Афины и пошла в первый класс местной школы. Вернувшись на летние каникулы в Россию, Полина оказалась на пороге выбора. Оставаться на Родине и продолжать образование в России или вернуться в Афины. По настоянию бабушки Полина остаётся жить в Саратове вместе со своей бабушкой. Первым делом бабушка записала юную Полину в музыкальную школу, на отборочном туре Полина исполнила композицию Уитни Хьюстон, которая стала своеобразным пропуском Полины в музыкальный класс. После окончания контракта с греческим продюсером мать Полины возвращается в столицу, куда переезжает Полина. Закончив музыкальную школу, в 14 лет Полина поступает в Государственное музыкальное училище эстрадно-джазового искусства.
В 2003 году Полина попадает на телевизионный проект «Фабрика звёзд-2». Она исполняет несколько песен Максима Фадеева и побеждает на «Фабрике». Однако по окончании проекта Полина отказалась от сотрудничества с Фадеевым и ушла в самостоятельное плавание.
В 2005 году выходит дебютный клип Полины на песню «Колыбельная».
12 июля 2007 г. — вышел дебютный альбом «Попроси у облаков», в который вошли такие хиты, как «Колыбельная», «Я твоя», «Я тебя не прощу никогда».
В 2008 году Полина записывает песню «Кому? Зачем?» совместно с другой победительницей «Фабрики звёзд» — Ириной Дубцовой. Песня завоёвывает всеобщую популярность и добавляет народной любви обеим певицам.
11 марта 2010 г. — вышел второй сольный альбом « О себе». В него вошли такие хиты, как дуэт с Ириной Дубцовой «Кому? Зачем?», «Любовь под солнцем», «Где-то живет любовь». Полина охарактеризовала альбом следующим образом:"Новый альбом. Новый этап жизни, — как творческой, так и личной. Я назвала альбом «О себе», потому что все, что есть в этой музыке и словах — чистая правда. Если вы хотите что-то узнать обо мне, то лучший способ — послушать мои песни, нежели прочитать новости на страницах каких-то изданий. Тут врать нельзя и не нужно".
11 июня на премии «Муз-ТВ 2010» Полина Гагарина и Ирина Дубцова победили в номинации «Лучший дуэт» за композицию «Кому? Зачем?».
В июне 2010 года закончила учёбу в Школе-студии МХАТ с красным дипломом.
В 2007 году вышла замуж за актёра Петра Кислова. 14 октября 2007 года Полина родила сына Андрея. В 2009 году они с супругом развелись.