Родилась в семье актеров Малого театра Витольда Полонского и Ольги Гладковой. В 1924 году поступила в школу Московского художественного театра и начала выступать на его сцене. В 1935—1938 годах работала в театре-студии Юрия Завадского. В 1937 актриса Ростовского театра драмы. В 1938—1940 — вновь во МХАТе, а с 1940 по 1973 год была актрисой Московского театра имени Ермоловой.
Первым мужем Полонской был Михаил Яншин. Роман Полонской с Владимиром Маяковским закончился в 1930 году трагической смертью поэта и разрывом ее первого брака.
