Полина из актерской семьи. Её отец – заслуженный артист России Владимир Абрамович Долинский (театр «У Никитских ворот», известный телеведущий), мать – актриса Наталья Волкова, оставила творчество после рождения дочери. Росла в дружной веселой атмосфере, где постоянно бывали друзья родителей – артисты, писатели, художники. Однако с детства была очень застенчивым ребенком и об актерской профессии даже не мечтала. В школе хорошо занималась по гуманитарным предметам, а вот точные науки давались ей с трудом. С годами приобрела уверенность в себе и при поддержке родителей решила поступать в театральный.
Окончив экстерном 10-й и 11-й классы, в 2006 году поступила в Высшее театральное училище им. Щепкина на курс В.Н.Иванова и В.М.Бейлиса. Играла в дипломных спектаклях «Дон Жуан из Агридженто» Л.Пиранделло (Туцца), «Варвары» М.Горького (Надежда Монахова), «Месяц в деревне» И.Тургенева (Наталья Петровна Ислаева, главная роль), принимала участие в постановках «Черный снег» по роману М.Булгакова «Дни Турбиных» и «Волки и овцы» А.Островского.
Еще, будучи студенткой, в 2009 году впервые вышла на сцену Государственного академического Малого театра, где играет в спектаклях «Умные вещи» С.Маршака (Дочка барина) и «Горе от ума» А.Грибоедова (Княжна Тугоуховская). После окончания училища в 2010 году была принята в труппу старейшего драматического театра страны. Сегодня играет в тех же ролях, а также в роли Лидии Юрьевны в пьесе А.Островского «Бешеные деньги» и Дочери в постановке «Дон Жуан» по произведению А.К.Толстого.
Вместе с отцом В. Долинским занята в антрепризных спектаклях «Летели два крокодила» и «Как стать желанной» в театре Киноактера.
В школьные годы в 2003 году впервые снялась в кино, где сыграла небольшую роль в приключенческом сериале «Спасти и выжить». Впоследствии играла в фильмах «Парк советского периода» (подруга Алены), «Путейцы», «Петля», «Ранний рассвет», «Таксистка 4». В мелодраме «Тяжелый песок» по мотивам одноименного романа А.Рыбакова сыграла Марлен, швейцарскую подружку Якова, в мистическом триллере «Правосудие волков» снялась в роли Светки-молдаванки. С 2010 года начался показ сериала «Маруся», в котором Полина Долинская играет свою первую главную роль и за эту работу была номинирована на премию «Телезвезда» в номинации «Любимая актриса» на Украинском телевидении. Также, в настоящее время в производстве находится лента «Лето индиго», где молодая актриса играет одну из главных ролей.