Полина Гагарина родилась в Москве, однако раннее детство провела в Греции вместе с родителями, изучая греческий язык в течение трёх лет. Мать Полины работала в Афинах по контракту, будучи профессиональной танцовщицей.
Образование пришлось прервать из-за трагического случая: в 1993 году отец Полины умирает от сердечного приступа.
С трудом пережив трагедию, семья возвращается в Россию и, по настоятельной рекомендации бабушки, Полина решает остаться учиться в Саратове.
Девочка пробует себя в балете, но в итоге бабушка приводит Полину в музыкальную школы: в самом начале творческого пути будущая певица удивила педагогов, выбрав к исполнению на вступительном экзамене сложную композицию Уитни Хьюстон. И вот, школа успешно окончена и молодая певица поступает в музыкальное училище, где на втором курсе поступило предложение — принять участие на «Фабрике Звёзд».
В 2003 году Полина успешно проходит все этапы конкурса второй «Фабрики» и получает предложение сотрудничать с Максимом Фадеевым, чьи песни девушка и пела. Однако, по неуказанным причинам Полина отказывается.
2005 год — новая попытка, Гагарина выступает «Новой Волне» с песней колыбельная и занимает третье место. Несмотря на бронзу, композиция становится хитом и на неё снимается клип.
2007 год ознаменован началом сотрудничества с продюсером Константином Меладзе: под его началом издаётся сингл «Я тебя не прощу никогда».
Чуть позже, в июле, выходит полноформатный первый альбом «Попроси у облаков», в который были включены хиты «Я тебя не прощу никогда» и «Я твоя».
И вот, в декабре 2012 года на награждении «Золотого граммофона» Полина Гагарина получает заветную статуэтку за композицию «Спектакль окончен»
2013 год. Полина принимает участие в многочисленных фотосессиях, и не всегда остаётся довольна результатом. Но с одним из фотографов установилось прочное взаимопонимание — снимки получаются идеальными.
Все чаще сотрудничая вместе, между ними возникает романтическая связь — так начались отношения с будущим мужем, Дмитрием Исхаковым.
После ряда успешных синглов и трёх альбомов, в марте 2015 года Первый канал сообщил: на «Евровидении-2015» за Россию выступит Полина Гагарина. После сложной борьбы со шведом Монсом Зелмерлевым, Полина спела «A million voices», заняла «серебро» и получила помимо отличных отзывов о выступлении значительное пополнение армии поклонников.
О своем характере Полина отзывается как о взрывном и импульсивном, при этом мужа описывает как человека мягкого и спокойного. Вместе они любят проводить время дома, кататься на велосипедах. В недавних интервью Полина призналась, что не любит готовить и терпеть не может, когда её называют «звездой».