Полина Филоненко родилась 10 августа 1986 года в городе Санкт-Петербург. Училась в Калининском районе, школа №162. В семье артистов не было. Папа с мамой трудились у станка на на местном заводе. Поля росла девочкой артистичной и хулиганистой. В начальных классах частенько прогуливала уроки, за что ей «влетало» от родителей.
Когда Полина немного подросла, то начала пропадать на дискотеках и в шумных компаниях. Но со временем «взялась за ум» и остепенилась. А ещё задумалась о будущем. Природные данные и занятия в Охтинском театральном отделении центра эстетического воспитания подтолкнули Полину Филоненко к решению выбрать артистическую карьеру.
В старших классах девушка уже знала, что непременно будет поступать в театральный вуз. Рассматривался один из московских. Но в 11-ом классе у Полины случилась любовь. Не желая расставаться с молодым человеком, Филоненко осталась в родном городе и в 2003 году поступила в «Школу русской драмы имени И.О. Горбачева».
В период обучения в театральном вузе Полина поняла, что сделала правильный выбор. Она вышла на учебную сцену и сыграла свои первые роли в спектаклях «Жестокие игры», «Лёгкое дыхание» и «Галя Ганская». Юная артистка чувствовала необыкновенное вдохновение от игры. А ещё - желание совершенствоваться.
Кинематографическая биография Полины Филоненко началась, когда она перешла на 4 курс. В картотеке «Ленфильма» нашли её фотографию, когда подыскивали актрису на роль Сони Мармеладовой в драме «Преступление и наказание» и Липы в картине «Яр». Внешность студентки подходила к этим образам идеально. Хрупкая, голубоглазая и беззащитная героиня, которую жизнь нещадно ломает - вот какой образ предстояло сыграть Поле. Она успешно прошла пробы и была утверждена на обе роли.
На съёмках «Преступления и наказания» Филоненко повезло работать с такими мэтрами отечественного кинематографа, как Елена Яковлева и Юрий Кузнецов. Наблюдая за их игрой, начинающая актриса, как признаётся сама, росла на глазах.
Полученный опыт открыл Полине Филоненко двери в мир большого кино. Стараясь заработать авторитет, поначалу артистка наотрез отказывалась от предложений сниматься в сериалах, предпочитая им «полный метр».
После окончания вуза девушка продолжила свою карьеру в кино. Она с огромной радостью приняла предложение режиссёра Валерии Гай-Германики сняться в её новом проекте «Все умрут, а я останусь». После его выхода Полина Филоненко превратилась в кумира российских тинейджеров. Фильм демонстрировался на нескольких европейских кинофестивалях. В Мюнхене, Брюсселе и Каннах проект собрал несколько премий. Полина Филоненко и две её коллеги, Ольга Шувалова и Агния Кузнецова, в Швейцарии получили премии за лучшие женские роли.
Вскоре молодая актриса приобрела бесценный опыт работы в военных картинах. В драматической 12-серийной ленте «Я вернусь» Филоненко сыграла одну из трёх сестёр Ростопчиных, попавших в концлагерь к немцам. Главная роль в проекте досталась Елизавете Боярской. Полина сыграла её лучшую подругу.
В военной драме «Олимпус инферно» о событиях в Осетии Полине предложили главную роль, которую она сыграла блестяще. Филоненко перевоплотилась в журналистку Женю, а её партёром выступил израильский актёр Дэвид Генри. Множество рискованных трюков, предписанных сценарием, Полина и Генри исполнили сами.
Из работ последних лет, где ярче всего проявила себя Филоненко, можно назвать проекты «Я покажу тебе Москву», «Женщина-зима», «Терапия любовью» и «Одноклассницы».