Pauline Étienne a grandi à Ixelles, commune de la région bruxelloise. Elle se passionne très tôt pour le théâtre, la musique et participe dès son adolescence à un atelier théâtral.

C'est à 18 ans qu'elle fait ses débuts au cinéma avec un rôle secondaire dans le film "Élève libre" de Joachim Lafosse. La révélation vient avec "Le Bel Âge" où elle tient le rôle principal avec Michel Piccoli. Ce rôle lui vaut un prix d'interprétation féminine au Festival international des jeunes réalisateurs de Saint-Jean-de-Luz. Grâce à son interprétation dans "Qu'un seul tienne et les autres suivront" de Léa Fehner, elle remporte le prix Lumière du meilleur espoir féminin puis l'Étoile d'or du cinéma français dans la catégorie révélation féminine française en 2010. En 2014 elle joue le rôle d'Amélie Nothomb dans "Tokyo Fiancée" (adaptation du livre d'Amélie Nothomb Ni d'Ève ni d'Adam), film sorti en mars 2015.