Полина Денисовна Осипенко родилась 8 октября 1907 года в Запорожской области, селе Новоспасовка. Семья Полины была очень бедной, и именно поэтому она окончила только два класса церковно-приходской школы, была вынуждена пойти работать няней, а после батрачкой.
После прихода советской власти в ее селе организовали колхоз. Полина прошла курсы птицеводов и устроилась работать на ферму. Работа была тяжелой, но несмотря на это, она находила силы для учебы и окончила вечернюю школу.
Однажды труженики птицефермы заметили над ними в небе нечто необычное, через несколько минут на поле возле фермы приземлилось два самолета. Они столь же напугали, сколь и восхитили Полину Осипенко. Пилотом одного из самолетов была женщина, после общения с ней Полина буквально стала грезить полетами.
Для поступления в летную школу Осипенко устроилась там же работать официанткой, чтоб ежедневно просить начальника школы принять ее и научить летать.
И сраженный или обаянием женщины, или ее «мужским» характером начальник школы принял ее в ряды курсантов. Она была очень старательной и способной ученицей. Ей принадлежали рекорды высоты для женщин в полетах с открытой кабиной – 8804 м, рекордное время перелета от Черного до Белого морей (10 час. 33 мин).
А 24-25 сентября 1938 года она была одной из трех пилотов, которые совершили беспосадочный перелет Москва – Комсомольск-на-Амуре, за что через месяц все участницы перелета (Валентина Гризодубова, Полина Осипенко и Марина Раскова) получили звание Героя Советского Союза.
11 мая 1939 года, совершая полет с Анатолием Серовым, при плохой видимости и большой облачности их самолет потерпел крушение, в котором Полина погибла. Причина аварии не выяснена.
Прах Серова и Осипенко помещён в урнах в Кремлёвской стене на Красной площади в Москве.