Полина начала играть на рояле в возрасте пяти лет, а в шесть уже дала свой первый сольный концерт в зале Вильнюсской филармонии. В восемь состоялся дебют пианистки с оркестром — с камерным оркестром Литвы под управлением Саулюса Сондецкиса она исполнила Концерт ре минор Баха. Закончила школу-лицей при Петербургской консерватории, а затем и саму консерваторию — 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 им. Е.Ф.Светланова, оркестрами «Виртуозы Москвы», «Новая Россия», Европейской Симфониеттой, Веймарской национальной оперы и др. 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 публика слышала в самых престижных залах — Большом и Малом Московской консерватории и Петербургской филармонии, венском Мюзикферайне, Концертном зале Мариинского театра, залах 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, в «Ликах современного пианизма» и «Звездах белых ночей». Полина Осетинская — лауреат молодежной премии «Триумф».
 
В свои сольные программы Полина Осетинская почти всегда включает сочинения композиторов конца XX — XXI вв., часто сталкивая их с классикой. Осетинская — приверженец и популяризатор 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.

Ее искусство высоко оценивают взыскательные музыкальные критики авторитетных изданий. В 2008 году пианистка написала автобиографическую книгу «Прощай, грусть!».