Полина Денисова родилась 24 февраля 2004 года в Иваново в многодетной семье. У нее есть 2 сестры и 3 брата. Желание девушки стать актрисой впервые поддержала учительница, когда она училась в 6 классе. Окончив школу с золотой медалью, она прошла прослушивания в пять топовых театральных ВУЗов Москвы. Выбор Полина сделала в пользу Высшего театрального училища имени М.С.Щепкина, где ее педагогом был Владимир Бейлис. Проучившись там один год, девушка перевелась на режиссерский факультет ГИТИСа, попав в мастерскую Олега Кудряшова.
Сниматься в кино Полина начала в 2015 году, а первая крупная роль досталась ей в 2022-м. Юная актриса сыграла Соню в ситкоме «Папины дочки. Новые». Образы ее экранных родителей воплотили Анастасия Сиваева и Филипп Бледный, а в сестер перевоплотились Вита Корниенко, Ева Смирнова и Полина Айнутдинова.
Позднее карьеру Полины Денисовой пополнили картины «Бедные смеются, богатые плачут», «Дедмобиль», «Хоттабыч», «1000 и одна любовь», «Роль отца» и др.
Также Полина востребована на театральной сцене. Одной из важнейших вех в ее карьере стала роль Джульетты в постановке знаменитой трагедии Уильяма Шекспира «Ромео и Джульетта», режиссером которой стал Сергей Алдонин. Спектакль вышел в театре имени М.А.Булгакова. Позднее актриса призналась, что эту работу считает знаком судьбы и воплощением мечты.
Помолвлена с Антоном Рогачевым.
