Она была колхозной птичницей, когда рядом с деревней сел самолёт, и из кабины вышла женщина. «Я вся загорелась: и женщины могут летать?!», вспоминала Полина Осипенко 1. Девятый ребёнок в крестьянской семье из села Новоспасовка Екатеринославской губернии, она окончила лишь начальную школу и курсы птицеводов. Путь в авиацию открыл первый муж, военный лётчик Степан Говяз: в 1931 году Полина приехала к нему на Качу, где он готовил её к поступлению в лётное училище 2.
Первая попытка поступить в Качинскую школу провалилась. Но Полина нашла обходной путь: на аэродромных площадках курсантам на учебных У-2 подвозили завтрак, и в этих коротких перелётах инструкторы разрешали ей подержаться за управление. Так, полёт за полётом, она освоила самолёт. Когда на Качу приехал Ворошилов, Полина упросила его лично зачислить её в училище, и в 1933 году окончила его, став лётчиком-истребителем 3.
Судьба Степана Говяза сложилась трагически. Когда Полину начали готовить к рекордным полётам, супругов намеренно разлучили, отправив мужа в Ростовскую область. Через два года его репрессировали, документы о нём уничтожили. След Говяза потерялся в лагере под Баку; реабилитирован он был лишь посмертно, в 2001 году 2. Полина к тому времени уже носила фамилию второго мужа, лётчика-истребителя Александра Осипенко, воевавшего в Испании.
Летом 1937 года Осипенко побила три мировых рекорда высотных полётов: с грузом и без 4. Год спустя возглавила беспосадочный перелёт Севастополь, Архангельск и установила международный женский рекорд дальности по замкнутой кривой. Но главным стал перелёт 24–25 сентября 1938 года. Экипаж из трёх женщин: Валентина Гризодубова, Полина Осипенко и Марина Раскова, вылетел из Москвы на Дальний Восток на самолёте АНТ-37 «Родина». Из-за сложной погоды они не нашли аэродром в Комсомольске-на-Амуре и оказались с пустыми баками над тайгой у Охотского моря. Гризодубова приняла решение сажать машину в лес. Расковой приказали прыгать, её нашли в тайге живой только через десять дней. Гризодубова и Осипенко остались в самолёте и пережили жёсткую посадку 5. Экипаж установил мировой женский рекорд дальности: 6450 километров. 2 ноября 1938 года все три лётчицы стали Героями Советского Союза 6.
После рекорда Осипенко назначили инспектором по технике пилотажа, наставником пилотов-истребителей; её избрали делегатом XVIII съезда партии 6. Утром 11 мая 1939 года, во время учебно-тренировочных сборов на новом УТИ-4, она погибла в авиакатастрофе вместе с начальником главной лётной инспекции ВВС Анатолием Серовым 1. Ей был тридцать один год. Прах обоих замурован в Кремлёвской стене 1. Родное село Новоспасовка переименовано в её честь, а Бердянск с 1939 по 1958 год назывался городом Осипенко 1.