Родился в семье бедного чиновника в 1819 году. Окончив гимназию в Рязани (1838), поступил на юридический факультет Московского университета. Сблизился с А. А. Григорьевым и А. А. Фетом, познакомился также сП. Я. Чадаевым, А. С. Хомяковым, Т. Н. Грановским.

В журнале «Отечественные записки» в 1840 году опубликовал первое стихотворение. Участвовал в студенческом альманахе «Подземные ключи». В это время познакомился с И. С. Тургеневым, дружба с которым продолжалась до смерти последнего.

По окончании университета (1844) жил в Одессе, затем получил назначение в Тифлис (1846), где служил до 1851 года; кавказскими впечатлениями навеяны его лучшие стихи, принесшие молодому чиновнику всероссийскую известность.

С 1851 года жил в Санкт-Петербурге, редактировал в 1859-1860 журнал «Русское слово». Служил в Комитете иностранной цензуры, в Совете Главного управления по делам печати (1860—96). Адреса Полонского следующие:

Умер Полонский в Петербурге в 1898 году, похоронен в Ольговом монастыре под Рязанью; в 1958 году перезахоронен на территории Рязанского кремля (фото могилы).

Первый поэтический сборник — «Гаммы» (1844). Выпущенный в Одессе.Второй сборник «Стихотворения 1845 года» вызвал отрицательную оценку В. Г. Белинского. В сборнике «Сазандар» (1849) воссоздал дух и быт народов Кавказа. Небольшая часть стихов Полонского относится к так называемой гражданской лирике («Признаться сказать, я забыл, господа», «Миазм» и другие). Стихотворение «Узница» (1878) он посвятил Вере Засулич. На склоне жизни обращался к темам старости, смерти (сборник «Вечерний звон», 1890). Среди поэмПолонского наиболее значительна поэма-сказка «Кузнечик-музыкант» (1859).

Грузинские стихи Полонского выделяются редкой для своего времени музыкальностью. Д. Мирский называет его «самым романтичным из эклектиков середины века», хотя со своим романтизмом он не переставал бороться:

Полонский писал также прозу. Первый сборник прозы «Рассказы» вышел отдельным изданием в 1859 году. Вроманах «Признания Сергея Чалыгина» (1867) и «Женитьба Атуева» (1869) следовал И. С. Тургеневу. В основу романа «Дешёвый город» (1879) легли впечатления одесской жизни. Автор опытов в жанре мемуаров («Мой дядя и кое что из его рассказов»).

Многие стихи Полонского положены на музыку А. С. Даргомыжским, П. И. Чайковским, С. В. Рахманиновым, С. И. Танеевым, А. Г. Рубинштейном,М. М. Ивановым и стали популярными романсами и песнями. «Песня цыганки» («Мой костёр в тумане светит»), написанная в 1853 году, стала народной песней.