Полина Денисовна Осипенко родилась 25 сентября (8 октября) 1907 год в селе Новоспасовка (ныне носит её имя) Российской империи, ныне Бердянского района Запорожской области, в семье крестьянина. Была девятым ребёнком в семье. В экспозиции «Кубань в годы ВОВ» музея Фелицына размещены ее личные вещи и фотографии.

Окончила начальную школу, курсы птицеводов. Работала заведующей колхозной птицефермой. Первый муж (1926 г.) — односельчанин Степан Говяз, военный лётчик. Он сыграл решающую роль в том, что супруга тоже выбрала авиацию. В апреле 1931 года Полина Говяз уехала из Новоспасовки к своему мужу в Качу, где он служил. Степан и подготовил жену к поступлению в Качинскую школу военных пилотов. Когда Полину Говяз стали готовить к установлению авиационных рекордов, супругов-лётчиков разлучили, отправив Степана на службу в Ростовскую область. Позже его репрессировали, и он погиб в исправительно-трудовом лагере после 1939 г. Первая попытка поступить в Качинскую школу лётчиков не увенчалась успехом. Училища размещались на нескольких площадках, куда к 12 часам на самолёте У-2 привозили стартовый завтрак. В этих постоянных полётах лётчики-инструкторы разрешали Полине подержаться за управление. Так она научилась управлять У-2. Затем, во время визита на «Качу» К.Е. Ворошилова, она упросила его зачислить её в училище, которое окончила в 1933 году.

Служила лётчиком, командиром звена в истребительной авиации.

Второй муж (с 1935 года) — однополчанин, лётчик-истребитель Александр Степанович Осипенко (1910—1991), воевавший в Испании.

Летом 1937 года П.Д. Осипенко побила три мировых рекорда высотных полётов с грузом и без нагрузки. В 1938 году она возглавила беспосадочный перелёт Севастополь — Архангельск; её экипаж установил также международный женский рекорд дальности полёта по замкнутой кривой.

24-25 сентября 1938 года Гризодубова, Осипенко и Раскова должны были осуществить беспосадочный перелёт на Дальний Восток, как предполагалось, из Москвы в Комсомольск-на-Амуре на самолёте АНТ-37 «Родина». Однако из-за сложных погодных условий они не смогли найти комсомольский аэродром, а очутились с пустыми баками ближе к побережью Охотского моря. Гризодубова, будучи командиром самолёта, приняла решение о жёсткой посадке в лесу. Расковой был отдан приказ прыгать из самолёта — спустя десять дней её нашли в лесу. Гризодубова и Осипенко остались в самолёте и выжили в аварийной посадке. Несмотря на это, они установили рекорд по дальности перелёта среди женщин протяжённостью 6450 км (по прямой — 5910 км), и каждая из лётчиц была удостоена звания Героя Советского Союза.

За выполнение этого перелёта и проявленные при этом мужество и героизм 2 ноября 1938 года Полине Денисовне Осипенко присвоено звание Героя Советского Союза.

После перелёта Москва — Дальний Восток П.Д. Осипенко — инспектор по технике пилотажа, наставник пилотов-истребителей.

Полина Денисовна Осипенко погибла в авиационной катастрофе 11 мая 1939 года, отрабатывая полёты «вслепую», во время учебно-тренировочных сборов вместе с начальником главной лётной инспекции ВВС РККА А. К. Серовым.

Прах Серова и Осипенко помещён в урнах в Кремлёвской стене на Красной площади в Москве.