Родители Полины не были связаны с искусством, работали на заводе. В 9 лет девочка начала заниматься на театральном отделении Центра гуманитарно-эстетического воспитания. Здесь она получила первые навыки актерской игры. После окончания средней школы в 2003 году Полина Филоненко осталась в родном городе и поступила в Школу русской драмы им. И. О. Горбачева. На сцене учебного театра Полина играла в спектаклях «Жестокие игры», «Легкое дыхание», «Галя Ганская».
Уже на пятом курсе учебы в институте она приняла участие сразу в двух кинопробах «Ленфильма». Ее утвердили на обе роли. Одной из них оказалась роль Сони Мармеладовой в мини-сериале «Преступление и наказание» по произведению Ф. М. Достоевского. Вторым фильмом стал «Яр» по повести Есенина. Молодую актрису заметили, ей стали предлагать роли и в сериалах, и в авторском кино. В 2008 году она снялась в ленте Алексея Германа-младшего «Бумажный солдат».
Но настоящий успех пришел к Полине Филоненко после работы в картине «Все умрут, а я останусь». В фильме Валерии Гай Германики Полина сыграла главную роль - молодую бунтарку по имени Катя. Драму оценили не только в России, но и в Европе, а Полина получила премию за лучшую женскую роль на кинофестивале в Брюсселе.
Роль девушки в поисках справедливости принесла актрисе не только популярность, но и новые творческие предложения. В 2009 году она снялась вместе с Елизаветой Боярской в картине «Я вернусь», сериале о тяжелой послевоенной жизни и непростой истории любви. Полина сыграла подругу главной героини, Тоню. Актриса достойно справилась с ролью заключенной концлагеря.
В 2009 году на экраны вышел полнометражный фильм «Олимпиус Инферно» режиссера Игоря Волошина. На этот раз Полине довелось сыграть главного персонажа - журналистку Женю. Лента рассказывает о трагических событиях, произошедших в Южной Осетии в 2008 году. Полине пришлось исполнить немало трюков, поскольку в фильме было много взрывов, выстрелов и преследований.
Актриса избирательна в ролях и не соглашается сниматься в «проходных» сериалах, предпочитая авторское и независимое кино. В 2010 году девушка снялась в психологической драме «Громозека». В 2011 году состоялась премьера комедии «Без мужчин» с участием актрисы.
