Полина Сергеевна Гагарина родилась 27 марта 1987 года в Москве в семье профессиональных хореографов.

Будучи танцовщицей, мама Полины, подписав контракт на работу в балете в Афинском театре «Алсос», переехала с дочкой в Грецию, когда девочке было 4 года.

Через три года, в 1993 году, ее отец скончался от сердечного приступа. Девочка с мамой сразу же вернулись в Россию, однако вскоре вновь уехали в Афины. Закончив там первый класс, Полине пришлось уехать в Саратов по настоянию жившей там бабушки, а мама осталась в Греции.

Бабушка сразу же отвела внучку в музыкальную школу. Вскоре, по окончании контракта, мама Полины вернулась в Россию, и, забрав дочь, переехала жить в Москву. В столице девочка также ходила в музыкальную школу, вдобавок посещала Детский театр эстрады. Позже она начала выступать с вокальным ансамблем «До, ре, ми, фа, соль», где у нее были сольные партии.

Мама Гагариной очень трепетно относилась к увлечению своей талантливой дочери, всячески поддерживая все ее начинания.

Полина окончила школу экстерном и уже в 14 лет подала документы на вокальный факультет Эстрадно-джазового училища. Несмотря на то, что приемная комиссия посоветовала ей походить год на подготовительные курсы, девушка решила поступать в тот же год и блестяще справилась с задачей. Ее приняли на бюджетное обучение.

Участие в проекте Первого канала «Фабрика звезд» в 2003 году принесло 16-летней Полине Гагариной победу и популярность. Несмотря на это, на удивление продюсера Максима Фадеева, новоявленная звезда отказалась подписывать контракт и записывать сольный альбом. Увидев закулисье шоу-бизнеса, девушка засомневалась, действительно ли ей нужна сцена. Однако певица продолжила заниматься музыкой.

После окончания «фабричного» проекта о певице долгое время ничего не было слышно, в 2005 году она появилась на телеэкранах с клипом на свою песню «Колыбельная», в то же время она подписала контракт с продюсерским центром Игоря Крутого, с которым выпустила дебютный альбом «Попроси у облаков».

В том же году Гагарина участвовала в конкурсе «Новая волна», где заняла третье место.

В 2007 году она выступила в первый день открытия «Новой волны» уже как заслуженная певица.

Позже она записала саунд-трек к сериалу «Дочки-матери».

В 2006 году певица поступила в Школу-студию МХАТ, где и познакомилась со своим будущим супругом Петром Кисловым (кстати, в момент их знакомства он был официально помолвлен с актрисой Анастасией Макеевой). В 2007 году пара официально узаконила свои отношения, вскоре у них родился сын Андрей, однако семейная жизнь не сложилась, в 2009 году пара развелась.

В 2008 году Полина Гагарина с подругой по «Фабрике звезд» Ириной Дубцовой записывает абсолютный хит «Кому? Зачем?». Благодаря этой композиции девушки стали лауреатами телепремии «МУЗ ТВ» как «Лучший дуэт».

В 2010 году певица выпустила второй свой сольный альбом «О себе». Вскоре она закончила МХАТ с красным дипломом.

В 2011 году вышел ее клип на песню «Осколки», в 2012 году – клип на песню «Спектакль окончен».

В 2011 году Полина Гагарина приняла участие в проекте «Призрак оперы».

В декабре 2012 года появились слухи, что голливудский режиссер Ридли Скотт пригласил Полину Гагарину сыграть небольшую роль в его фильме «Советник», выход которого запланирован на ноябрь 2013 года. Главные роли в фильме исполнят, такие звезды как Брэд Питт, Хавьер Бардем, Пенелопа Крус и Кэмерон Диаз.

В январе 2013 года Полина опровергла слухи, заявив на своем официальном сайте, что сниматься в фильме «Советник» она не собирается.

В том же 2013 году Полина стала обладательницей нескольких музыкальных премий - RU.TV, «Звуковая дорожка 2013», МУЗ-ТВ, «Золотой граммофон-2013» и «Fashion People Awards-2013».

В июле 2013 года Полина представила сингл «Навек», сразу завоевавший популярность среди слушателей многих радиостанций.

В апреле 2014 года Гагарина презентовала очередной свой сингл «Шагай».

Также в 2014 году Полина принимала участие в российском дубляже кинофильма «Оз: Возвращение в Изумрудный город».

В 2015 году Полина Гагарина получила право представить Россию на конкурсе «Евровидение 2015». Об этом заявил ее продюсер Константин Меладзе.

По итогам финала конкурса, который прошел 23 мая 2015 года в Вена, Полина Гагарина завоевала второе место, набрав 303 балла. Певица уступила 60 баллов победителю конкурса Монсу Селмерлеву из Швеции.