Полина Максимова родилась 12 июля 1989 года в Москве. Ее родители — актеры Владимир и Светлана Максимовы.
Во время учебы в гуманитарном классе гимназии № 1567 будущая звезда начала играть в театральном кружке Л. И. Соболева.
После окончания гимназии девушка поступила в Высшее театральное училище им. Щепкина на курс Николая Афонина, которое окончила в 2010 году.
Дипломными работами молодой актрисы стали спектакли «Бесприданница» (роль Ларисы Огудаловой) и «Блэз» (роль Женевьевы).
В 2008 году, будучи студенткой, Максимова дебютировала в кино, сыграв роль Натальи Квитко в сериале «Возьми меня с собой».
Широкая известность пришла к актрисе в 2012 году благодаря роли Ольги Ржевской в сериале «Деффчонки».
В 2015 году артистка была ведущей программы «Такое кино» на канале ТНТ.
В 2016 и 2017 годах Полина снялась в клипах Алексея Воробьева на песни «Самая красивая» и «Я тебя люблю».
В 2019 году Максимова стала ведущей (вместе с Николаем Фоменко) автомобильного шоу «Россия рулит!» на канале НТВ.
В июне 2020 года подтвердилась информация о том, что Полина Максимова встречается с актером Егором Корешковым.