Полина Агуреева, по происхождению донская казачка, родилась 9 сентября 1976 года в Волгограде в семье учительницы и физика. Имеет младших брата и сестру. Признавалась впоследствии, что «детство — это тоскливое, грустное время и что-то не так, чувствуешь себя лишним на этом празднике жизни». Некоторое время с мамой жила в городке Михайловка Волгоградской области, на реке Медведица. С семи лет живёт в Москве, но нерасторжимая связь со степным краем осталась с Полиной на всю жизнь.
В детстве была «книжной девочкой». Сознательный возраст «провела в уверенности», что станет актрисой. Всегда нравилось «не выступать, а публично пострадать».
В 1993 году поступила на режиссёрский факультет ГИТИС (мастерская Петра Фоменко), училась в актёрской группе. С 1997 года — актриса театра «Мастерская П. Фоменко».
Охотно снимается у режиссёра Сергея Урсуляка — фильм «Долгое прощание» (дебют актрисы в кино), телесериалы «Ликвидация», «Исаев».
В 2009 была членом жюри на кинофестивале Завтра/2morrow3, на котором отдала предпочтение фильму «Хадевич» французского режиссёра Бруно Дюмона. Высказала мысль, что «обсуждение фильмов было интереснее, чем сами картины».
Особенную известность и любовь миллионов телезрителей завоевали романсы на стихи Марины Цветаевой «А мне тебя уже не надо» и Иосифа Бродского «Колечко», под гитару исполненные Агуреевой проникновенно, необычайно интимной интонацией и на высоком вокальном уровне в сериале «Исаев», 2009.
«Хрупкость, ненаигранная трепетность и лиризм в этой молодой актрисе удивительно сочетаются с последовательностью, упорством и волей» — Роман Должанский.
«Разнообразная, нездешняя, особая, отдельная…Особенность кроется в её нездешности, в зазоре между нею и нашим временем. Не очень вписывается в тот типаж, который сегодня востребован» — Сергей Урсуляк.
«В ней удивительным образом сочетаются нравственная чистота и волнующий эротизм, граничащий с бесстыдством» — Ксения Ларина.
В 2003—2007 была замужем за режиссёром Иваном Вырыпаевым, у которого, в частности, снималась обнажённой в фильме «Эйфория». Брак, который Вырыпаев называл «патриархальным», по мнению Агуреевой «существовал в борьбе — и в жизни, и в творчестве». От распавшегося союза есть сын Пётр (р.2005). Актриса живёт в Москве. Воспитывать ребёнка ей помогают мама и няня. Режиссёра Вырыпаева называет теперь «третьим с конца мужем актрисы Агуреевой».
По собственному признанию, «мама-фанат». Свободное время проводит с сыном, гуляет с ним по паркам, водит на занятия, посещает детские спектакли, от которых «приходит в ужас». Любимые фильмы Агуреевой — «Летят журавли», «Отец солдата», «Белый Бим Чёрное ухо», «Они сражались за Родину», а также другие военные фильмы с батальными сценами. Новый год предпочитает Дню рождения: непременно загадывает 12 желаний, одно себе, остальные — близким. Увлекается восточной философией и идеями Карла Густава Юнга. Предпочитает читать книжки по ночам. Считает, что чаще всего люди меняются только в одну сторону — худшую. Любит земную жизнь и все её проявления. «Хочу рожать детей и растворяться в них».