1987—2002 годы: детство и юность
Полина родилась в Саратове[2][3], но первые годы своей жизни Полина провела в Греции. Мать Полины — профессиональная танцовщица — в 1991 году подписала контракт с греческим продюсером на работу артисткой балета «Алсос» в столице Греции, Афинах. Там Полина прожила три года, и там же в сентябре 1993 года она пошла в первый класс местной школы. Вернувшись на летние каникулы в Россию, Полина по настоянию бабушки осталась жить вместе с ней в Саратове. Поступила в музыкальную школу, исполнив в отборочном туре композицию Уитни Хьюстон[4].
После окончания контракта с греческим продюсером мать Полины вернулась в Москву, куда переехала и Полина. Окончив музыкальную школу, в 14 лет Полина поступила в Государственное музыкальное училище эстрадно-джазового искусства[5]. На 2-м курсе её педагог Наталья Андриянова предложила Полине поучаствовать в музыкальном телепроекте «Фабрика звёзд».
2003 год: «Фабрика звёзд»
В 2003 году Полина попала на телевизионный проект «Фабрика звёзд-2». Она исполнила несколько песен Максима Фадеева и победила на конкурсе. Многие профессионалы впоследствии признавали Гагарину самой сильной певицей из всех победителей шоу[6]. Однако по окончании проекта Полина отказалась от сотрудничества с Фадеевым.
2004—2007 годы: начало карьеры и альбом «Попроси у облаков»
Год не было слышно о Гагариной, в это время её пригласили петь в группу «Playgirls». В 2005 году она подписала контракт с лейблом АРС Records, в группе не пела.
2005 год ознаменовался новой попыткой заявить о себе. Для этого был выбран Международный конкурс «Новая волна». В Юрмале, по итогам конкурса, Полина заняла III место. Авторская песня «Колыбельная», исполненная в последний конкурсный день, стала хитом. В том же году на песню сняли клип.
В 2006 году вышли клипы на синглы «Morning» и «Я твоя». В этом же году вышел сингл «Помню».
В 2007 году был записан сингл «Я тебя не прощу никогда», автором которого стал Константин Меладзе. 12 июля 2007 года был выпущен дебютный альбом «Попроси у облаков», в который вошли такие хиты, как «Колыбельная», «Я твоя» и «Я тебя не прощу никогда».

Полина Гагарина на конкурсе ESC 2015
Весной 2011 года на Украине стартовало музыкальное шоу «Народная звезда — 4» (укр.«Народна зiрка — 4»), где участники из народа, прошедшие отбор, пели в дуэте со звёздами российской и украинской эстрады. Гагарина пела с одесситом Михаилом Димовым. В апреле 2011 года на российском телевизионном канале MTV вышел молодёжный сериал «Большие надежды», официальным саундтреком стала песня «Я обещаю».
В августе 2011 года Полина получила «Золотой граммофон» за песню «Я тебя не прощу никогда» от «Русского Радио Украина». В конце года вышел сингл «Осколки» и клип на него.
В январе 2012 года вышел новый сингл «Спектакль окончен», в конце января вышел клип. Весной на украинском телевидении стартовал сериал «Катина любовь», саундтреком к которому стала песня Полины «Вернись любовь». В июне на Первом канале (Россия) вновь начал свою работу всем уже известный телепроект «Фабрика звёзд», но на этот раз под девизом «Россия vs Украина». Популярные участники фабричных выпусков России и Украины должны были в песенных поединках показать, чья команда лучше. Условие: петь живьём. Гагарина выиграла 3 поединка из 4, тем самым она внесла большой вклад в победу команды России. Также летом Полина стала послом XXVII Всемирной летней Универсиады 2013 года в Казани.
В августе вышел сингл «Нет», 31 августа 2012 года вышел клип. Спустя месяц, 29 сентября, Полина побеждает на Премии RU.TV в номинации «Лучший рингтон», в которой была представлена песня «Спектакль окончен». Летом 2012 года Гагарина озвучила анимационную героиню Мэвис в мультфильме «Монстры на каникулах» (международное название — «Отель Трансильвания»)[8]. С 18 октября он стартовал в прокате на территории России.
1 декабря прошла церемония «Золотой граммофон», на которой Полина получила статуэтку за песню «Спектакль окончен». Также в первый день зимы Гагарина приняла участие в телефестивале «Песня года2012», став уже её многократным Лауреатом. 3 декабря на проекте «Красная Звезда» песня «Спектакль окончен» была признана одной из 20 лучших песен 2012 года. Также, в 2012 году Гагарина стала одной из ведущих ток-шоу «Вкусно жить» на канале ТНТ[9].
На церемонии «Звуковая дорожка 2013», которая прошла 19 апреля в «Известия Hall» в Москве, Полина получила приз в номинации «Sexy Ж». 25 мая 2013 года в Crocus City Hallсостоялось награждение премией RU.TV, где Полина Гагарина победила в номинации «Лучшая исполнительница».