Родилась в селе Новоспасовка, ныне носит её имя (совр. Бердянского района, Запорожской области Украины).

Служила командиром звена в истребительной авиации. 

24 — 25 сентября 1938 г. 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 живой. Гризодубова и Осипенко остались в самолёте и также 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 трех лётчиц была удостоена звания Героя Советского Союза.

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

Решением заседания № 99 от 31.03.1959 г. исполком Борисовского городского Совета депутатов идя на встречу пожеланиям трудящихся гор. Борисова решил: пер. 2-ой Заводской переименовать в пер. им. Полины Осипенко.

С копией документа вы можете ознакомится в краеведческом центре центральной библиотеки.