Из дворян. Родился в семье бедного чиновника в 1819 году. Окончил Рязанскую гимназию (1838). Учился на юридическом факультете Московского университета (1838—1844), слушал лекции профессоров П. Г. Редкина, Д. Л. Крюкова и Т. Н. Грановского, которые оказали существенное влияние на формирование мировоззрения Полонского. В университете проучился пять лет вместо положенных четырёх, поскольку на 3-м курсе не сдал экзамен по римскому праву профессору Н. И. Крылову. В студенческие годы Полонский сблизился с А. А. Григорьевым и А. А. Фетом, познакомился также с П. Я. Чаадаевым, А. С. Хомяковым, Т. Н. Грановским. В студенческие годы Полонский зарабатывал на жизнь частными уроками.
В журнале «Отечественные записки» в 1840 году опубликовал первое стихотворение. Участвовал в студенческом альманахе «Подземные ключи». В это время познакомился с И. С. Тургеневым, дружба с которым продолжалась до смерти последнего.
По окончании университета (вып. 1844) жил в Одессе, затем получил назначение в Тифлис (1846), где служил до 1851 года; кавказскими впечатлениями навеяны его лучшие стихи, принесшие молодому чиновнику всероссийскую известность.
С 1851 года жил в Санкт-Петербурге, редактировал в 1859—1860 годах журнал «Русское слово». Служил в Комитете иностранной цензуры, в Совете Главного управления по делам печати (1860—1896).
Адреса Полонского:
1879—1883 гг. — дом Безобразова, набережная Фонтанки, 24[4]
угол Звенигородской и Николаевской ул. (Марата, 84)
1888—1898 гг. — Знаменская (ныне ул. Восстания), 26[5]
В 1890-е годы Полонский, Майков и Григорович — последние представители словесности 1840-х годов — напоминали петербургскому обществу об ушедшем веке литературных гигантов[6].
Умер Полонский в Петербурге в 1898 году, похоронен в Ольговом монастыре под Рязанью; в 1958 году перезахоронен на территории Рязанского кремля (фото могилы).