Родился в Рязани, в семье чиновника. Окончил местную гимназию и поступил в Московский университет на юридический факультет. Здесь он подружился с Фетом и Соловьёвым. Жил на те деньги, которые ему платили за уроки.
Первый поэтический сборник Полонского «Гаммы» вышел в 1844 году и был благосклонно встречен критикой и читателями. Однако из-за постоянного отсутствия денег ему пришлось искать работу. Из Москвы Полонский отправился в Одессу, а затем в Тифлис, где получил место в канцелярии наместника Грузии графа Воронцова. Пестрая экзотика Кавказа, местный колорит, живописная природа,- всё это было отражено в новом сборнике стихов поэта «Сазандар».
Полонский вынужден был поступить домашним учителем в семью А.О. Смирновой-Россет. Положение это тяготило Полонского, и, выехав со Смирновыми за границу, он расстался с ними, намереваясь заняться живописью, к которой у него были большие способности.
В конце 1858 года Полонский вернулся в Петербург, где ему удалось занять место секретаря комитета иностранной цензуры, которое гарантировало ему относительное материальное благополучие.
В 1857 женился, но скоро овдовел. Во второй раз женился на известной в то время скульпторше Жозефине Антоновне Рюльман.
С 1896 состоял членом совета главного управления по делам печати. Не примыкая к радикальным общественным движениям своего времени, Полонский относился к ним с сердечною гуманностью.