С 2003 по 2007 год Полина Филоненко училась на актерском факультете Санкт-Петербургского государственного университета сервиса и экономики в «Школе русской драмы им. И. О. Горбачёва». На четвёртом курсе она отправила свои фотографии на киностудию «Ленфильм» и через две недели была приглашена на пробы к фильмам «Преступление и наказание» и «Яр».

В 2007 году в фильме «Яр» Полина впервые появилась обнажённой, а в 2008 году снялась в обнажённом виде в картинах «Все умрут, а останусь» и «Сумерки».