Полина Шамаева получила образование в Воронежском музыкальном колледже имени Ростроповичей (дирижерско-хоровое отделение) и Академии хорового искусства имени В. С. Попова, которую окончила по двум специальностям – «хоровое дирижирование» (2011) и «сольное пение» (2016). Победительница пятого сезона телепроекта «Большая опера» на телеканале «Россия – Культура» и обладатель приза зрительских симпатий (2017).
С 2016 года – солистка Московского театра «Новая опера» имени Е. В. Колобова, с 2017 года – Венгерского государственного оперного театра в Будапеште. Приглашенная солистка Михайловского театра в Санкт-Петербурге и Новосибирского театра оперы и балета (НОВАТ). Лауреат Национальной оперной премии «Онегин» в номинации «Фаворит» (2021).
В качестве солистки выступала с различными коллективами в Большом театре России, Концертном залеимени П. И. Чайковского, залах Московской консерватории и Московского международного Дома музыки, на Красной площади и в Государственном Кремлевском дворце, Дворце музыки в Афинах, Симфони-холле в Осаке иМинато-Мирай-холле в Иокогаме, Аудитории Тенерифе на Канарских островах, Зале Стравинского в Монтрё, Альте Опер во Франкфурте-на-Майне, зале Редута в Братиславе и на других известных концертных площадках.
Принимала участие в фестивалях в Рейнгау (Германия), Кольмаре (Франция), «Владимир Спиваков приглашает» в Москве и регионах России, Московском Пасхальном фестивале, Opera Art Динары Алиевой, «Опера Live» Василия Ладюка, «Преображение» (Ярославль), «Кремлевские вечера» (Рязань), «Кружева» (Вологда), Concordia имени Софии Губайдулиной (Казань), на Канарских островах, а также в фестивалях Юрия Башмета.
Сотрудничала с такими выдающимися дирижерами, как Владимир Спиваков, Валерий Гергиев, Владимир Федосеев, Владимир Юровский, Михаил Плетнёв, Александр Сладковский, Томас Зандерлинг, Андрес Мустонен и многие другие.
Принимала участие в записи «Свадебки» Стравинского (Мать, дирижер – Геннадий Дмитряк) и оперы «Евгений Онегин» Чайковского (Няня, дирижер – Владимир Спиваков), Реквиема Моцарта (дирижер – Олег Романенко), «Всенощного бдения» Рахманинова и Реквиема Слонимского (дирижер – Лев Конторович).
В репертуаре певицы – более 20 оперных партий, среди которых Любаша («Царская невеста» Римского-Корсакова), Кармен в одноименной опере Бизе, Композитор («Ариадна на Наксосе» Р. Штрауса), Ольга и Лаура («Евгений Онегин» и «Иоланта» Чайковского), Маддалена и Фенена («Риголетто» и «Набукко» Верди), Зибель («Фауст» Гуно), Кристина («Пассажирка» Вайнберга), Марина Мнишек («Борис Годунов» Мусоргского) и другие, а также свыше 55 произведений кантатно-ораториального жанра, более 200 романсов и песен.
Среди ангажементов Полины Шамаевой в сезоне 2024/25 – Третья симфония Малера в Театре МассимоБеллини в Катании, Восьмая симфония Малера на фестивале «Белая сирень» в Казани, Реквием Караманова на фестивалях в Москве, Омске, Перми, Реквием Шнитке на фестивале «Пересечение миров», посвященном 90-летию со дня рождения композитора.