Поліна Володимирівна Максимова народилася в акторській сім'ї Володимира і Світлани (Лани) Максимових.

Навчалася в гімназії в гуманітарному класі. Грати почала в школі, в театральному гуртку Л. І. Соболєва. У 2010 році закінчила Вище театральне училище ім. Щепкіна (курс Миколи Афоніна). Дипломною роботою Поліни була роль Лариси Огудалової у виставі «Безприданниця», пізніше вона зіграла Женев'єву у виставі за п'єсою Клода Маньє «Блез». Зніматися в кіно стала під час навчання — роль Наталії Квітко в телесеріалі «Візьми мене з собою». Після Поліна Максимова грала в таких стрічках, як «Дві історії про любов» (реж. М. Малич), «Любов на сіні» (реж. В. Чиков, С. Курбанов, А. Сайдоха), «Крила ангела» (реж. М. Малич). Перші ролі Поліни відбулися в театрі, спочатку дипломна вистава, потім п'єса «Блез», після чого кінорежисери запрошують у телесеріали «Бомбіли» (дочка єгеря; реж. А. Калугін) і «Розкрутка» (подруга Крайнової; реж. Є. Анашкин). Нарешті, їй надходить запрошення на роль першого плану в телесеріал «Останній кордон» (реж. А. Копєйкін), а в 2009 році — в телесеріал «Два Антона» (реж. Л. Мазор).

У 2012 році в липневому номері «Maxim» опубліковано фотосесію Поліни Максимової. З квітня 2015 по грудень 2023 року була ведучою програми «Таке кіно» на «ТНТ».

У вересні 2015 року знялася в кліпі на пісню «Сумасшедшая», автором якої є її партнер по серіалу «Деффчонки» Олексій Воробйов. У 2016 році знялася в кліпі Олексія Воробйова на пісню «Самая красивая», а в 2017 році — в його ж кліпі на пісню «Я тебя люблю».