Гимнастка. Заслуженный мастер спорта СССР (1960).
Родилась 30 октября 1936 года в городе Днепропетровск. Занималась гимнастикой с 13 лет, когда из-за опоздания к началу учебного года (в связи с переездом родителей в другой город) решила уйти из школы и поступить в физкультурный техникум. В 1954 году впервые участвовала в чемпионате СССР. Выступала на мировом уровне с 1956 года, когда была самой юной участницей советской гимнастической сборной на Олимпиаде в Мельбурне.
Астахова — обладательница 10 Олимпийских медалей, в том числе пяти золотых. Кроме того, она чемпионка мира в командном первенстве (1956, 1962), серебряный призер в командном первенстве (1966), в упражнениях на брусьях (1958); чемпионка Европы в вольных упражнениях (1959), упражнениях на брусьях (1959, 1961), бревне (1961), серебряный призер в многоборье (1961), в вольных упражнениях (1961). Абсолютная чемпионка СССР (1959). Обладательница Кубка СССР в многоборье (1959, 1960, 1963, 1965). Чемпионка СССР в упражнениях на брусьях (1959, 1960, 1963, 1965), бревне (1961), в вольных упражнениях (1959, 1960, 1964, 1965), серебряный призер в многоборье (1965), в упражнениях на брусьях (1958, 1961, 1962, 1964), бревне (1959, 1960), в вольных упражнениях (1961, 1963), бронзовый призер в многоборье (1956, 1958, 1962, 1963), в опорных прыжках (1956), в упражнениях на брусьях (1956, 1957, 1967), бревне (1965), в вольных упражнениях (1958, 1962).
Астахова считалась самой изящной гимнасткой своего времени, её прозвище в западных СМИ было «Русская берёзка». После завершения спортивной карьеры в 1972 году Полина Астахова тренировала гимнасток Украины. Жила в Киеве. Скончалась 5 августа 2005года.