Pauline Grabosch stammt aus einer Sportlerfamilie, ihr Vater war Kanute, die Mutter Leichtathletin. Sie selbst betrieb auch Leichtathletik und brach im Sprint einige Landesrekorde ihrer Altersklasse. Wegen Knieproblemen wechselte sie im Alter von zwölf Jahren zum Radsportverein Osterweddingen. Ihr damaliger Trainer Andreas Kindler, der sie bis September 2014 trainierte, erkannte schon frühzeitig ihr außergewöhnliches Talent.[1] Ihr Hobby ist das Erlernen von Fremdsprachen wie Englisch, Französisch und Chinesisch. Im September 2014 wechselte sie zum Heinrich-Heine-Gymnasium nach Kaiserslautern, einer Eliteschule des Sports, wo sie gemeinsam mit Miriam Welte und Emma Hinze von Trainer Frank Ziegler betreut wird,[1] ab 2016 trainierte sie bei Tim Zühlke in Erfurt. Nach dem Weggang von Tim Zühlke werden sie und die Erfurter Trainingsgruppe von Anner Miedema trainiert.[2] Nachdem Zühlke als Trainer zum BDR zurückgekehrt war, verließ Pauline Grabosch die Trainingsgruppe von Miedema und trainierte seitdem wieder unter Zühlke.[3]
Nachdem Pauline Grabosch 2013 ihren ersten deutschen Meistertitel im 500-Meter-Zeitfahren gewonnen hatte, wurde sie 2014 in Cottbus deutsche Jugendmeisterin in dieser Disziplin sowie im Sprint. Bei einem Sichtungsrennen des Bundes Deutscher Radfahrer (BDR) im Oktober 2014 in der Oderlandhalle in Frankfurt/Oder stellte sie bei der Sprintqualifikation mit 11,76 Sekunden eine neue deutsche Rekordzeit in der Altersklasse U17 auf, ein Rekord, der bis zu diesem Zeitpunkt seit acht Jahren von Olympiasiegerin Kristina Vogel gehalten wurde.[1]
Im April 2016 fuhr Pauline Grabosch bei einem Sichtungsrennen des Bundes Deutscher Radfahrer in der FrankfurterOderlandhalle mit 34,392 Sekunden über 500 Meter Weltrekordzeit und unterbot damit ihren eigenen Rekord aus dem Jahre 2015. Da aber kein Kommissär des Weltradsportverbandes UCI anwesend war, wurde dieser Rekord nicht offiziell anerkannt.[4] Wenige Wochen später stellte Grabosch beim Grand Prix Alexander Lesnikov in Moskau einen neuen Juniorinnen-Weltrekord über 200 Meter (fliegender Start) auf. Damit verbesserte sie die vorherige Bestmarke der BritinRebecca James aus dem Jahr 2009 auf derselben Bahn, dem Velodrom von Krylatskoje, um zwei Zehntelsekunden auf 10,870 Sekunden.[5]
Im Juli 2016 wurde Grabosch erneut zweifache Junioren-Weltmeisterin, dieses Mal im Sprint, sowie im Zeitfahren, wo sie auch dieses Mal den Juniorinnen-Weltrekord (34,023 s) verbesserte. Gemeinsam mit Kristina Vogel wurde sie im Teamsprint erstmals Deutsche Meisterin der Elite und errang zudem vier Junioren-Titel. Im Herbst des Jahres startete sie erstmals bei einem internationalen Elite-Wettstreit: Beim Lauf des Weltcups in Apeldoorn gewann sie das Zeitfahren und belegte im Sprint Platz fünf.
Im Jahr darauf wurde Pauline Grabosch U23-Europameisterin im 500-Meter-Zeitfahren und Vize-Europameisterin im Sprint. Bei den Bahneuropameisterschaften in Berlin errang sie je eine Silbermedaille im Zeitfahren sowie mit Kristina Vogel im Teamsprint. Gemeinsam belegten Vogel und Grabosch beim Lauf des Weltcups in Pruszków Rang eins. Beim fünften Lauf des Weltcups in Minsk errang sie zwei erste Plätze: im Sprint sowie mit Emma Hinze im Teamsprint.
2021 wurde Grabosch als Ersatzfahrerin für die Teilnahme an den Olympischen Spielen in Tokio nominiert, kam aber nicht zum Einsatz.[6] Im selben Jahr wurde sie erneut Weltmeisterin im Teamsprint (mit Lea Sophie Friedrich und Emma Hinze). Im Jahr darauf wurde sie im Teamsprint (mit Hinze und Friedrich) Weltmeisterin sowie Europameisterin. Diese beiden Erfolge konnte sie 2023 und 2024 wiederholen. 2023 errang sie zudem die Silbermedaille im Sprint sowie 2024 Bronze im Zeitfahren. Bei den Olympischen Spielen 2024 in Paris gewann sie im Teamsprint die Bronzemedaille.
Im Oktober 2016 wurde Grabosch als „Juniorsportlerin des Jahres“ geehrt,[10] im Dezember desselben Jahres folgte die Auszeichnung als Junioren-Radsportlerin des Jahres.[11] Im Januar 2017 wurde sie als Erfurter Nachwuchssportlerin des Jahres 2016 geehrt.[12]
Im März 2024 wurde Pauline Grabosch mit der höchsten deutschen Sportauszeichnung, dem Silbernen Lorbeerblatt, geehrt.[13]