Polina Gagarina ble født i Moskva, men vokste opp i Hellas, der moren jobbet som ballettdanser. I 1993 døde faren, og familien flyttet tilbake til Russland, før de igjen flyttet tilbake til Hellas og bosatte seg i Athen. Etter å ha fullført utdannelsen i Hellas, flyttet Gagrina til bestemoren i Saratov i Russland.
Som 16-åring i 2003 deltok Gagarina i sesong 2 av det russiske talentshowet Star Factory. Hun fremførte flere sanger av Maksim Fadejev og vant til slutt konkurransen. Siden sluttet hun seg til jentegruppen Playgirls, men gruppen ble oppløst kort tid etter.
I 2008 ga Gagarina ut singelen «Komu, zatsjem?», en duett med den russiske sangeren Irina Dubtsova. I mars 2010 slapp hun sitt andre studioalbum, О себе. I 2012 begynte hun et samarbeid med den russisk-georgiske produsenten Konstantin Meladze. Sammen med Meladze spilte hun inn fire singler: «Spektakl okontsjen» (spillet er over), «Njet» (nei), «Navek» (for alltid) og «Sjagaj" (kamp).
I 2019 deltok Gagarina i det kinesiske talentshowet Singer 2019. Hun er den tredje europeeren som deltar i konkurransen, etter britiske Jessie J og Kristian Kostov fra Bulgaria. Hun nådde til slutt finalerunden i april 2019 på tv-kanalen Mango TV.[5]