Полина Филоненко родилась на окраине Ленинграда, в спальном Калининском районе. Родители всю жизнь проработали на заводе, за станком. На завод пошел и старший брат Полины Роман. Девочка росла красивой, привлекательной, и в девять лет родители отдали ее на театральное отделение Охтинского Центра Гуманитарно-эстетического воспитания. Здесь, параллельно учебе в школе, она в течение семи лет постигала азы актерского мастерства 
К окончанию школы Полина утвердилась в намерении стать актрисой. Вполне вероятно, что она бы поехала бы поступать в столичный театральный вуз, если бы не любовная история. В одиннадцатом классе она встречалась с молодым человеком, с которым никак не хотела расставаться, поэтому и выбрала для поступления театральный институт «Школа Русской Драмы им. И.О.Горбачева». Впрочем, об этом она ничуть не жалеет. «Думаю, не учись я в высшем учебном заведении Санкт-Петербурга, не было бы у меня тех ролей в кино», - говорит Полина.
В период учебы, на сцене учебного театра, Полина Филоненко сыграла роли в спектаклях: «Жестокие игры» по Арбузову (Нелли), «Последнее» по Горькому (Вера), «Легкое дыхание» (Оля Мещерская), «Галя Ганская» по Бунину (Галя). А на четвертом курсе института начинающей актрисе улыбнулась удача в кино – она отнесла на «Ленфильм» свои фотографии, а через две недели мне позвонили и пригласили на пробы сразу к двум фильмам: «Преступление и наказание» по Достоевскому (роль Сонечки Мармеладовой) и «Яр» по Сергею Есенину (роль Липы).
Полина признается, что на пробах к фильму «Яр» режиссера Марины Разбежкиной она очень волновалась. Еще бы – сыграть главную роль в экранизации одноименной повести Сергея Есенина! Молодой актрисе предстояло создать образ деревенской девушки с очень непростой судьбой, которая в итоге кончает жизнь самоубийством. И ей это блестяще удалось.
Приглашение на пробы к «Преступлению и наказанию» Полина Филоненко восприняла с восторгом (еще бы сняться у самого Дмитрия Светозарова). Впрочем, в то, что ее утвердят на столь серьезную роль, девушка особо не верила. Режиссер же уже при первой встрече увидел в актрисе то, что искал – образ скромной, немного пугливой девушки с кротким выражением лица и голубыми глазами. Настоящая Сонечка Мармеладова! Полина пробовалась в паре с актером Владимиром Кошевым, и оба они были утверждены.
Полина Филоненко признается, что образ Сони ей очень близок: «Это трудная роль, но не могу сказать, что она мне на сопротивление. На тот момент Соня была мне особенно близка. Я верующий человек, хотя не до такой степени, как Соня, молитв я не знаю, но верю в Бога, и мне непонятны такие атеисты, как Раскольников. В моей голове просто не укладывается, как можно делать какие-то вещи, которые он делал, это я и переносила в роль».
Съемки в сериале «Преступление и наказание» стали серьезным испытанием для актрисы. Она вспоминает: «Светозаров необыкновенно внимательный и отзывчивый человек, он стал для меня не режиссером, а учителем. Ведь я толком не умела вести себя перед камерой, и даже вылезала за рамки кадра!» Полина оказалась способной ученицей, внимая советам режиссера, она сумела перестроиться буквально за три дня. Хорошие отношения у актрисы сложились и со звездами нашего кинематографа, снимавшимися в картине - Еленой Яковлевой и Юрием Кузнецовым. Опыт, полученный Полиной Филоненко на съемках «Преступления и наказания», оказался неоценимым, заложив фундамент ее дальнейшей карьеры.
С легкой руки Светозарова и Разбежкиной Полина Филоненко уверенно вошла в мир Большого кинематографа. Успехом она воспользовалась вполне разумно. От полученных предложений сняться в сериалах актриса категорично отказывалась, предпочитая «полный метр». «Есть такие, которые заведомо несут в себе крах карьеры в авторском кино, а я не могу себе это позволить, потому что мне нравится ездить на фестивали, бывать в Канне и стоять рядом с Робертом Де Ниро и Шоном Пенном. Поэтому я не соглашаюсь сниматься в фильмах, где 100 серий, на полтора-два года работы. Лучше за это время я снимусь в 17 фильмах, где-то я буду в пятом ряду, а где-то главная героиня», - призналась Полина в одном из интервью.
Несмотря на отказ от сериалов без работы Полина не осталась. После окончания театрального института она регулярно снимается в кино. Кумиром тинейджеров ее сделала роль бунтарки Кати в фильме Валерии Гай-Германики «Все умрут, а я останусь». Картина с успехом демонстрировалась на международных фестивалях в Канне и Мюнхене. А на Европейском кинофестивале в Брюсселе Полина Филоненко совместно с партнершами по фильму Агнией Кузнецовой и Ольгой Шуваловой была удостоена Премии за лучшую женскую роль.
Успешной оказалась и работа в 12-серийной ленте «Я вернусь», повествующей о судьбе трех сестер Ростопчиных в годы Великой Отечественной войны. Главную роль в фильме исполнила Елизавета Боярская, а Полина сыграла ее подругу Тоню, заключенную фашистского концлагеря. Съемки проходили в Павловске. Специально были построены бараки, тщательно воссоздана та страшная атмосфера. Актриса рассказывает: «…там было очень страшно, вокруг были одни «немцы». Мы все в грязи, а они чистенькие, я там чувствовала себя ужасно: везде лес, деваться некуда. Один раз увидела, как мимо идут солдаты, у них, видимо, военная часть неподалеку, и я так обрадовалась, подумала: «Русские!!!» Было ощущение, как будто бы все по-настоящему».
Тема войны, только уже современной, прозвучала и в драме режиссера Игоря Волошина «Олимпиус Инферно». Картина - отклик на трагические события, произошедшие в 2008 году в Южной Осетии. Полина Филоненко сыграла главную роль – российскую журналистку Женю, а ее партнером, исполнившим роль американского энтомолога, стал израильский актер Дэвид Генри. Попадая в пекло вспыхнувшей войны, героям фильма приходится много бегать, прыгать, спасаться от выстрелов и взрывов… Все трюки Полина и Дэвид по собственному желанию исполняли сами.
Кроме того в период с 2009 по 2010 года актриса сыграла главные роли в фильмах: «Я покажу тебе Москву» (Яна), «Женщина-зима» (Ирма), «Терапия любовью» (Юля), «Любовь без правил»
Киев