В 2003 году Полина Гагарина попала на телевизионный проект «Фабрика звёзд-2», в котором одержала победу. В 2005 году вышел ее дебютный клип на песню «Колыбельная», а в 2007 году она выпустила свой первый альбом – «Попроси у облаков». В 2010 году вместе с Ириной Дубцовой Полина Гагарина одержала победу на Премии «МУЗ-ТВ» в номинации «Лучший дуэт» за композицию «Кому? Зачем?». В том же году вышел ее второй сольный альбом «О себе».

В 2012 году Полина Гагарина записала два сингла – «Нет» и «Спектакль окончен» – для своего третьего студийного альбома.

7 июня 2013 года Полина Гагарина победила в номинации «Прорыв года» на «Премии МУЗ-ТВ».

22 июля 2013 года Полина Гагарина представила свой новый сингл «Навек», а чуть позже и видеоклип.

14 апреля 2014 состоялась премьера песни «Шагай».

23 мая 2015 года в финале «Евровидения» заняла 2 место, набрав 303 балла.

В октябре 2015 года вышел новый сингл «Я не буду» и клип на него.

В 2016 году Полина представила альбом «9», синглы «Танцуй со мной», «Стану солнцем» и дуэт с Бастой «Голос».