Родилась 12 октября 1988 года в Ленинграде. Мать - ландшафтный дизайнер, отец - бизнесмен. Когда девочка окончила школу, мать захотела, чтобы она поступила на факультет журналистики. Паулина проучилась в Санкт-Петербургском государственном университете два года. Но затем решила поступить в театральный вуз в Москве. Она подавала заявления во все театральные институты сразу. Кроме Школы-студии МХАТ, прошла по конкурсу также и в ГИТИС. Она училась на курсе Романа Козака и Дмитрия Брусникина в студии МХАТ.
На третьем курсе Паулина Андреева получила роль в спектакле Кирилла Серебренникова "Околоноля", который был поставлен в театре Олега Табакова. Следующей театральной работой актрисы стал спектакль по пьесе Евгения Гришковца "Дом". Затем была постановка "Мастер и Маргарита". Также она играла в комедии "№ 13 D" Владимира Машкова, в ней Паулине пришлось участвовать во множестве откровенных сцен.
Известность пришла к Андреевой значительно позже - в 2013-м, после выхода фильма Валерия Тодоровского "Оттепель". В киноленте она сыграла небольшую, но очень яркую роль ресторанной певицы Дины. Песня Константина Меладзе, которую исполняла Паулина, стала хитом. В результате Андреева была признана одной из самых популярных звезд российского шоу-бизнеса и попала в топ красивейших актрис России.
Следующая большая роль - Ирины Юсуповой в фильме "Григорий Р." (2014). Затем Паулина снялась в эротическом триллере "Саранча", который, по мнению экспертов, превосходит по откровенности эпатажную драму "50 оттенков серого".
Во время учебы в Школе-студии МХАТ у Паулины завязался роман с однокурсником Виктором Хориняком (известен по сериалу "Кухня", где играет бармена Костю Анисимова). Причем Хориняк на тот момент был женат. По окончании обучения в 2011-м актеры расстались.
Весной 2016-го стало известно об отношениях Паулины с Федором Бондарчуком. Впервые актриса и известный режиссер открыто появились вместе на публике в июне того же года на закрытии фестиваля "Кинотавр" в Сочи.