Polly Walker commence ses études à Londres, à la Silverdale Preparatory School. À 16 ans, diplômée de la Ballet Rambert School à Twickenham, elle entame une carrière de danseuse mais doit changer de voie à 18 ans, à cause d'une blessure à la jambe. Elle décide alors de devenir actrice. Elle passe du Drama Centre de Londres à la Royal Shakespeare Company, où elle interprète de petits rôles, avant de faire ses débuts à la télévision.
Rôles au cinéma et à la télévision
Polly Walker obtient le rôle-titre de la série télévisée Lorna Doone en 1990. Elle y côtoie deux jeunes acteurs promis à un bel avenir : Sean Bean et Clive Owen. Elle débute au cinéma dans Kabuto en 1991. La même année, elle apparaît dans un film français : Les équilibristes. En 1992, elle tourne dans Avril enchanté (Enchanted April) de Mike Newell. Mais c'est son rôle dans Jeux de guerre (Patriot Games) de Phillip Noyce qui lui vaut une certaine notoriété internationale. Elle y joue Annette, une Anglaise membre d'un groupe terroriste irlandais. Elle retrouve Noyce en 1993 pour Sliver.
À partir des années 2000, elle tourne surtout pour la télévision. En 2003, elle tient un des rôles principaux de la série de la BBC, Jeux de pouvoir (State of play). Entre 2005 et 2007, elle est Atia, la nièce de Jules César et la maîtresse de Marc Antoine, dans les deux saisons de la série Rome. Son interprétation lui vaut une nomination aux Golden Globes 2005 comme meilleure actrice dans une série télévisée dramatique[1]. Elle joue ensuite la sinistre Catherine Braithwaite dans Principe inaliénable (Deus Ex-Machina), une histoire en deux épisodes de la série policière de la BBC, Meurtres en sommeil (Waking the Dead) (2007). La même année, elle interprète Lady Bess Sedgwick dans un épisode de Miss Marple, À l'Hôtel Bertram (At Bertram's Hotel), puis l'héritière Ellis Samuels dans la série télévisée Cane. En 2009-2010, Polly Walker est Sœur Clarice Willow, la directrice d'une école privée religieuse dans la série de science-fiction Caprica.
Elle n'abandonne toutefois pas totalement le cinéma puisqu'elle est à l'affiche, en 2010 et 2012, des blockbusters Le Choc des titans et John Carter.
Polly Walker participe ensuite à dix épisodes de la série de ITV Mr Selfridge dans le rôle de Delphine Day. On la retrouve ensuite au générique des saisons 3 et 5 de la série britannique Line of Duty.
Polly Walker a deux sœurs et un frère. Elle est mariée depuis le à l'acteur anglais Laurence Penry-Jones. Elle a deux enfants nés de deux précédentes unions, Giorgio (né en 1993) et Delilah (née en 2000)[2].