Polina Astakhova a remporté des médailles d’or par équipe aux Jeux Olympiques de Melbourne 1956, Rome 1960 et Tokyo 1964, un exploit qu’elle partage avec Larysa Latynina, faisant d’elles les seules gymnastes à être membres de trois équipes médaillées d’or.

Astakhova a également remporté l’or aux barres parallèles asymétriques et s’est classée troisième au concours multiple individuel en 1960 et 1964. Elle a ajouté des médailles d’argent en 1960 et 1964 dans les exercices au sol, et son décompte olympique final comprenait 10 médailles, cinq médailles d’or, trois d’argent et deux de bronze.

Aux championnats du monde, elle a eu moins de succès, mais a été membre de l’équipe de l’Union soviétique qui a remporté le titre par équipe en 1958 et 1962.

Par la suite, Polina Astakhova a pris sa retraite des compétitions. Celle qu’on surnommait « la Madonne » a d’abord travaillé comme entraîneur national en Ukraine. En 2002, elle a été intronisée au Temple de la renommée internationale de la gymnastique.

Puis Astakhova a passé les dernières années de sa vie à Kiev dans un total dénuement avant de mourir à 68 ans d’une pneumonie.