A Bolsoj Balettiskola növendékeként számos díjat nyert a legnívósabb balettversenyeken. Aranyérmet kapott a Moszkvai Nemzetközi Balettversenyen 2001-ben, majd egy év múlva első helyen végzett a Vaganova-Prix Balettversenyen Szentpéterváron, és Junior Díjat vett át a Nagoya Nemzetközi Balettversenyen Japánban.

Miután 2002-ben befejezte tanulmányait, a Berlini Állami Operaház történetének legfiatalabb prímabalerinája lett. Már az első évadban főszerepet kapott A diótörőben és A bajadérban. Mindezt Tatjána szerepe követte az Anyeginben, ami a kedvence lett.

Polina tizenkilenc évesen, 2003-ban az Angol Nemzeti Balettel lépett fel A hattyúk tavában, mellyel elnyerte az angol kritikusok elismerését is. Következő évben a Kaliforniai Balett-társulattal szerepelt a Csipkerózsikában, ismét elbűvölve a kritikusokat, annak ellenére, hogy a teljes darabot kiábrándítónak titulálták. Miután Herbert Grönemeyer zenés klipjében, a Letzter Tagban is szerepelt, Polina Szemjonova a szélesebb közönség előtt is ismertebbé vált. 2012 szeptemberében csatlakozott az American Ballet Theatre társulatához.