Родилась 10 августа 1986 года в Ленинграде, в Калининском районе, училась в 162-й школе. Родители Полины были рабочими на местном заводе.
В девять лет родители отдали Полину на театральное отделение Охтинского центра гуманитарно-эстетического воспитания. Здесь на протяжении семи лет она параллельно с учёбой в школе получала первые актёрские навыки. Окончив в 2003 году школу, Полина поступила в театральный институт «Школа русской драмы им. И. О. Горбачёва».
После этого Полине посыпались предложения сняться в телесериалах, но она отказывалась, предпочитая роли в авторском кино[1][2][3].
В 2008 году снялась в фильме «Все умрут, а я останусь» в роли Кати Капитоновой[4][5]. За роль в этом фильме Полина Филоненко удостоилась премии за лучшую женскую роль Европейского кинофестиваля в Брюсселе.
В 2009 году сыграла в ленте Елены Немых «Я вернусь». Главную роль в фильме исполнила Елизавета Боярская, а Полина сыграла её подругу Тоню, заключённую фашистского концлагеря. В том же году вышла картина Игоря Волошина «Олимпиус инферно», посвящённая военному конфликту в Южной Осетии, где актриса сыграла роль российской журналистки Жени.
В 2010 году сыграла в фильме «Любовь без правил»[6].
В 2015 году сыграла небольшую роль в фильме «Хардкор»[7].
↑Елена Долгих.Полина Филоненко. «От смеха до рыдания у меня пара секунд»(рус.). Выпуск №38 (355). OK! (7 октября 2013). Дата обращения: 30 августа 2016. Архивировано 1 марта 2014 года.
