Полина Гагарина начала заниматься музыкой с самого детства, а уже после 9 класса поступила в училище Гнесиных. После этого девушка отправилась на проект «Фабрике звезд-2» и смогла завоевать победу. В 2005 Полина приняла участие в конкурсе «Новая волна» и заняла там третье место. В 2015 году Гагарина представляла Россию на конкурсе «Евровидение» с песней «A Million Voices», заняв в итоге второе место.
Исполнительница озвучивает персонажей в мультфильмах. Ее голосом говорит Мэвис из «Монстров на каникулах», Дороти Гейл из «Оз: возвращение в Изумрудный город». В 2019 году Полина приняла участие в международном конкурсе The Singer в Китае. В этом же году Гагарина вновь появилась на телепроекте «Голос» в качестве члена жюри.