В восьмилетнем возрасте девочка начала ходить в музыкальную школу города Саратова. Спустя время мама девочки вернулась в Россию. Семья переехала в столицу. С этого момента Полина начала совмещать занятия в образовательной и музыкальной школе. Гагарина окончила школу экстерном и уже в 14 лет поступила в Эстрадно-джазовое училище.
В 2003 году Полина приняла участие в кастинге проекта «Фабрика звезд-2». Помимо того, что она его прошла и была зачислена в ряды фабрикантов, девушка стала победительницей. Но от сотрудничества с продюсером Максимом Фадеевым она отказалась, решив, что сделает карьеру самостоятельно.
В 2005 году на телеэкраны вышел клип Полины под названием «Колыбельная». В этом же году девушкой был записан дебютный альбом «Попроси у облаков». Спустя год Гагарина решила поступить в Школу-студию МХАТ. Сдав все вступительные экзамены, она была зачислена в ряды студентов. Там же Полина встретила своего будущего супруга – Петра Кислова. В 2007 году влюбленные зарегистрировали свои отношения, у них родился сын – Андрей. Но в 2009 году пара разошлась, тем не менее, они остались хорошими друзьями.
В 2008 году Полина вместе с Ириной Дубцовой записали песню «Кому? Зачем?», которая впоследствии стала хитом. Сейчас Гагарина продолжает работать над своей музыкальной карьерой, она исполнила песню, написанную Константином Меладзе, которая называется «Спектакль окончен».