В 1993-1997 годах Полина Агуреева училась на режиссёрском факультете Российской академии театрального искусства РАТИ-ГИТИС (курс Петра Наумовича Фоменко). В настоящий момент является актрисой театра «Мастерская П. Фоменко». Также задействована в спектакле «Июль» по мотивам пьесы Ивана Вырыпаева, который идет в театре «Практика».
Завоевала Гран-при на театральном фестивале «Московские дебюты-97». Лауреат премий «Чайка» (номинация «Двойной удар», 2000), премии кинофестиваля «Кинотавр» («Лучшая женская роль», 2004), «Кумир» (номинация «Лучшая женская роль в театре», 2009), «Золотая маска» (номинация «Драма - Лучшая женская роль», 2009); победитель конкурса «Премьера» (номинация «Приз читательских симпатий», представленная газетой «Комсомольская правда», 2001); дипломант премии «Триумф» (2000). Полина Агуреева удостоена Государственной премии Российской Федерации в области литературы и искусства (2001).
Театральные работы Полины Агуреевой: М. Горький «Варвары» (роли Степы, Марьи Ивановны Весёлкиной), Н. В. Гоголь «Владимир III степени» (роль Аннушки), А. С. Пушкин «Египетские ночи» (роль Графини К.), А. Н. Островский «Бесприданница» (роль Ларисы Огудаловой), Л. Н. Толстой «Война и мир» (роли Наташи Ростовой, Элен Курагиной, Жюли Курагиной), Ж. Жироду «Безумная из Шайо» (роль Сибиллы), Ф. М. Достоевский «Белые ночи» (роль Настеньки), А. М. Володин «Пять вечеров» (роль Тамары), А. С. Грибоедов «Горе от ума» (роль Лизаньки) и др.
Среди киноработ актрисы - «Долгое прощание» (роль Ляли Телепнёвой, 2004), «Эйфория» (роль Веры, 2006), «Ликвидация» (роль Тони Царько, 2007), «Исаев» (роль Анны, 2009), «Господа Головлевы» (роль Анниньки, 2010). Фильм «Эйфория» стал обладателем специального приза жюри на кинофестивале «Кинотавр», ежегодно проходящем в Сочи, победителем XXII Варшавского кинофестиваля и Национальной премии Российской Академии кинематографии «Ника», а также вошел в официальную конкурсную программу Венецианского кинофестиваля.