Поліна Астахова ще шестирічною дівчинкою займалась ковзанярським спортом. Вона тренувалася з підвищеними навантаженнями, старанно виконувала всі вправи, не боялася ускладнювати окремі елементи. Потім був фізкультурний технікум. Тут вона займалася спортивною і художньою гімнастикою. Влітку 1952 р. П. Астахова брала участь в змаганнях у м. Одесі, де відстоювала спортивну честь свого технікуму. Поліна побачила виступ найкращих гімнасток СРСР, які брали участь у змаганнях XV Олімпіади з гімнастики у Гельсінкі. Вибір було зроблено на користь спортивної гімнастики. За три роки спортсменка пройшла важкий шлях від новачка до майстра спорту СРСР. У серпні 1956 р. на Першій спартакіаді народів СРСР П. Астахова посіла ІІІ місце з багатоборства та була введена до складу збірної СРСР. Вона принесла у спортивну гімнастику новий стиль «ланцюгової реакції», коли кожний елемент її комбінації «народжувався» з попереднього. Поліна була наймолодшою в команді і стала бронзовим призером в командному заліку. На римській Олімпіаді (1960) вона лідирувала, але втратила цілий бал після падіння з колоди, яка була сьомою з восьми дисциплін. Спортсменка виграла золото у складі команди, срібло у вільних вправах і бронзу в абсолютному заліку. В 1961 р. вона виграла золото на брусах та у вільних вправах на чемпіонаті Європи. На токійській Олімпіаді 1964 р. Астахова зробила внесок у перемогу в командному заліку, виграла бруси, стала другою у вільних вправах і третьою в абсолютному заліку.
П. Астахова вигравала чемпіонати світу в 1958 і 1962 рр. у командній першості; Європи в 1959 і 1962 рр. в окремих видах багатоборства; була чемпіонкою СРСР у 1959 і 1965 рр. в окремих видах багатоборства; абсолютною чемпіонкою СРСР (1959); неодноразовою володаркою кубка СРСР
Завершивши кар’єру гімнастки, Поліна Григорівна, починаючи з 1972 р. працювала тренером збірних команд УРСР і СРСР. У 2002 р. Астахову включили до Міжнародної зали гімнастичної слави. Останні роки свого життя Астахова прожила в Києві.
