Полина Гельман родилась в 1919 году в Бердичеве (Украина). После смерти отца, в 1920 году, мать Полины перевезла семью в Гомель. Во время обучения в школе Полина также посещала занятия в аэроклубе.

22 июня 1941 года Полина была студенткой третьего курса исторического факультета Московского государственного университета. В октябре 1941 года, когда немецкие войска были в 30 километрах от Москвы, она добровольно записалась в ряды Красной армии. Полина была патриоткой, однако в письме своей матери она указала еще одну причину, которая подвигла ее пойти воевать:

«Мамочка, родная моя, я решила идти на фронт. Я дочь еврейского народа, и с Гитлером у меня особый счет».

После некоторых сложностей все же была принята в состав 588-го ночного бомбардировочного женского авиаполка, сформированного усилиями Марины Расковой (один из трёх женских авиаполков в составе советских военно-воздушных сил). В октябре 1943 года полк был переименован в 46-й гвардейский ночной бомбардировочный авиационный Таманский полк.

В мае 1942 года после интенсивной трехмесячной подготовки Полина Гельман стала штурманом открытого легкого биплана У-2 (в довоенные годы обычно использовался как учебная машина). Как штурман Гельман разрабатывала маршрут для своих напарниц Евдокии Носаль, позднее Раисы Ароновой, сбрасывала бомбы, отстреливалась от самолетов люфтваффе. Летчицы бомбили немецкие склады вооружения и базы с горючим на фронте и в немецком тылу, взрывали мосты и немецкие автоколонны, следовавшие в направлении фронта или к местам сбора войск Вермахта. Тактика ночных бомбардировщиков заключалась в том, что самолеты подходили к цели на сверхмалой высоте, заглушали двигатели и планировали к точке сбрасывания бомбы незамеченными. Бомбардировщики также выбивали немецкие прожекторы, которые искали в небе советские самолеты, таким образом нанося урон немецкой противовоздушной обороне. Немецкие солдаты прозвали советских летчиц «ночными ведьмами». Летчицы также снабжали советские войска в тылу противника, доставляя вооружение и продукты. Иногда за ночь они совершали несколько вылетов. Рекорд Полины Гельман – восемнадцать вылетов за ночь.

Член партии с 1942 года, Полина была политруком своего полка. С 1943 года — также начальником связи в своей эскадрильи. С мая 1942 по май 1945 года воевала в юго-восточной России, на Кавказе, в Белоруссии, Польше и Восточной Пруссии. Закончила войну в Берлине.

Совершила 857 боевых вылетов, сбросила 113 тонн бомб, вызвала 142 воспламенения, сбросила 620 000 листовок с антинацистской агитацией. В ходе войны была несколько раз награждена, в том числе орденом Красной Звезды и орденом Красного Знамени. 15 мая 1946 года, через год после того как она была представлена к награде, получила звание Героя Советского Союза. В 1948 году в издательстве «Дер Эмес» на идише вышла книга Рахили Ковнатор «Полина Гельман — Герой Советского Союза».

После войны Полина Гельман продолжила военную карьеру, в 1951 году окончила Военный институт иностранных языков. Одновременно вернулась на исторический факультет Московского государственного университета. После увольнения из армии в 1957 году и до выхода на пенсию в 1990 году преподавала политическую экономию в Институте общественных наук при ЦК КПСС. В 1990-е посетила Израиль как официальный гость израильского правительства. В Ашкелоне в ее честь названа улица.

Полина Гельман умерла в ноябре 2005 года в Москве и была похоронена рядом со своей матерью на Новодевичьем кладбище.

О визите Полины Гельман в Московский государственный еврейский театр (ГОСЕТ)

После войны Полина была источником национальной гордости для многих советских евреев, один ветеран войны так вспоминал встречу с Полиной Гельман:

Недавно я встретил их [Полину и ее мать] в Московском Еврейском театре. И я видел, как радостно блестят глаза у матери Полины. Она вырастила достойную дочь своего народа, … На улице Горького в Москве в зеркальной витрине одного из лучших фотоателье выставлены портреты Героев Советского Союза — участников Отечественной войны. Среди них и портрет Полины Гельман —славной дочери еврейского народа.
ГАРФ 8114-1-174, копия в Архиве Яд Вашем JM/26148