Полина Осетинская начала играть на рояле в возрасте пяти лет, а в шесть уже дала свой первый сольный концерт в зале Вильнюсской филармонии. В восемь лет состоялся дебют пианистки с оркестром — с Камерным оркестром Литвы под управлением Саулюса Сондецкиса она исполнила Концерт ре минор И. С. Баха.

Пианистка закончила школу-лицей при Петербургской консерватории, а затем и саму Консерваторию, где занималась в классе Марины Вольф; прошла ассистентуру-стажировку в Московской консерватории у профессора Веры Горностаевой.

Полина выступала с Токийским филармоническим оркестром, Заслуженным коллективом России Академическим симфоническим оркестром Петербургской филармонии, Государственным академическим симфоническим оркестром России имени Е. Ф. Светланова, оркестрами «Виртуозы Москвы», «Новая Россия», Европейской симфониеттой, оркестром Веймарской национальной оперы. Среди ее сценических партнеров — дирижеры Саулюс Сондецкис, Лоран Петижерар, Василий Синайский, Андрей Борейко, Герд Альбрехт, Ян-Паскаль Тортелье, Томас Зандерлинг, Туган Сохиев, Александр Сладковкий. Ее игру слышала публика самых престижных залов — Большого и Малого залов Московской консерватории и Петербургской филармонии, венского Мюзикферайна, Концертного зала Мариинского театра, залов Варшавы, Сан-Франциско, Брюсселя, Японии и многих других.

Пианистка принимала участие в фестивалях Du Wallonie, Mainly Mozart, Chopin Festival, «Декабрьские вечера», «Крещендо», «Звезды на Байкале», «Территория», Дягилевском и Левитановском фестивалях, фестивалях «Лики современного пианизма» и «Звезды белых ночей». 

В свои сольные программы Полина Осетинская почти всегда включает сочинения композиторов конца XX — начала XXI вв. «Современная музыка, — полагает она, — не только продолжает музыку старую. Она еще и помогает открывать в старой музыке смыслы и красоту, стертые десятилетиями слепого музейного поклонения и механического, часто бездушного исполнения». Осетинская — приверженец и популяризатор произведений композиторов-современников поставангардного направления ― Сильвестрова, Десятникова, Мартынова, Карманова, Пелециса.

Записи пианистки выходили на многих лейблах, в их числе — Sony Music, Naxos, Bel Air. На английском лейбле Quartz только что вышел диск пианистки с фортепианной музыкой Нино Роты и Леонида Десятникова и готовится к выпуску диск фортепианных колыбельных. 

Ее искусство высоко оценивают взыскательные музыкальные критики авторитетных изданий: «В ее тонкой, если не сказать рафинированной, интерпретации композитор предстал философом-интеллектуалом… И именно благодаря таким вдумчивым и критическим интерпретациям, какую предложила Полина Осетинская, музыка Шостаковича остается актуальным и даже злободневным искусством» («Коммерсантъ»).

Полина Осетинская — лауреат молодежной премии «Триумф».

Пианистка написала автобиографическую книгу «Прощай, грусть!», ставшую бестселлером.