Полина Владимировна Максимова родилась в актёрской семье Владимира и Светланы (Ланы) Максимовых.
Училась в гимназии в гуманитарном классе. Играть начала в школе, в театральном кружке Л. И. Соболева. В 2010 году окончила Высшее театральное училище им. Щепкина (курс Николая Афонина). Дипломной работой Полины была роль Ларисы Огудаловой в спектакле «Бесприданница», позже она сыграла Женевьеву в спектакле по пьесе Клода Манье «Блэз». Сниматься в кино стала во время учёбы — роль Натальи Квитко в телесериале «Возьми меня с собой». После Полина Максимова играла в таких лентах, как «Две истории о любви» (реж. М. Малич), «Любовь на сене» (реж. В. Чиков, С. Курбанов, А. Сайдоха), «Крылья ангела» (реж. М. Малич). Первые роли Полины состоялись в театре, вначале дипломный спектакль, затем пьеса «Блэз», после чего кинорежиссёры приглашают в телесериалы «Бомбилы» (дочь егеря; реж. А. Калугин) и «Раскрутка» (подруга Крайновой; реж. Е. Анашкин). Наконец, ей поступает приглашение на роль первого плана в телесериал «Последний кордон» (реж. А. Копейкин), а в 2009 году — в телесериал «Два Антона» (реж. Л. Мазор).
В 2012 году в июльском номере «Maxim» опубликована фотосессия Полины Максимовой. С апреля 2015 по декабрь 2023 года являлась ведущей программы «Такое кино» на «ТНТ».
В сентябре 2015 года снялась в клипе на песню «Сумасшедшая», автором которой является её партнёр по сериалу «Деффчонки» Алексей Воробьёв. В 2016 году снялась в клипе Алексея Воробьёва на песню «Самая красивая», а в 2017 году — в его же клипе на песню «Я тебя люблю».
В 2019 году стала ведущей автомобильного шоу «Россия рулит!» вместе с Николаем Фоменко на «НТВ».