График, живописец, художник декоративно-прикладного искусства, книжный иллюстратор. Сестра В. Д. Поленова.
Участник Мамонтовского художественного кружка. В 1880–1890-х подолгу жила и работала в Абрамцеве, где писала акварельные пейзажи, собирала произведения народного искусства, иллюстрировала народные сказки, создавала костюмы для любительских спектаклей.
В 1885–1892 гг. Поленова взяла на себя художественное руководство абрамцевской столярной мастерской и создала более ста эскизов, по которым изготовлялись мебель и предметы быта. С появлением в Абрамцеве керамической мастерской приняла участие и в ее работе.