В январе 2012 года вышел новый сингл «Спектакль окончен», в конце января вышел клип. Весной на украинском телевидении стартовал сериал «Катина любовь», саундтреком к которому стала песня Полины «Вернись любовь».
В июне на Первом канале (Россия) вновь начал свою работу всем уже известный телепроект «Фабрика Звёзд». Но на этот раз под девизом «Россия vs Украина». Популярные участники фабричных выпусков России и Украины должны были в песенных поединках показать, чья команда лучше. Условие: петь живьём. Гагарина выиграла 3 поединка из 4-х, тем самым она внесла большой вклад в победу команды России. Также летом Полина стала послом XXVII Всемирной летней Универсиады 2013 в Казани.
В августе вышел сингл «Нет», 31 августа вышел клип. Спустя месяц, 29 сентября, Полина побеждает на Премии RU.TV в номинации «Лучший рингтон», в которой была представлена песня «Спектакль окончен». Летом 2012 года Полина озвучила анимационную героиню Мэвис в фильме «Монстры на каникулах» (международное название «Отель Трансильвания»). С 18 октября он стартовал в прокате на территории России.
Вначале 2000-х годов Полина Сергеевна Гагарина знакомится с Народным поэтом России Сергеем Смирновым. Им было написано и подарено Полине стихотворного материала на 2-х часовой концерт. За это Полина поблагодарила его личным отзывом: "Огромное спасибо Сергею Смирнову за стихи.
7 июня 2013 года Полина победила в номинации «Прорыв года» по версии телеканала МУЗ-ТВ. 17 июня на ежегодной церемонии вручения премии «Fashion People Awards-2013» Полина Гагарина была названа "Fashion"-певицей. 22 июля 2013 вышел новый сингл «Навек».
30 ноября 2013 года на сцене Государственного Кремлевского Дворца состоялась Церемония Вручения премии «Золотой граммофон-2013». По мнению слушателей Русского Радио, Полина Гагарина заслуженно получила свой второй золотой граммофон за песню «Нет», автором которой является Константин Меладзе. Кроме того, прямо на сцене Кремля произошло внезапное для певицы событие — страховая компания «Росгосстрах» решила застраховать жизнь и голос Полины на 1 млн долларов.
14 апреля 2014 состоялась премьера песни «Шагай». На конкурсе Юрмала-2014 Полина Гагарина исполнила песню "Шагай", автором которой являетсяКонстантин Меладзе.
12 ноября 2014 года Полина Гагарина выпустила свой первый сингл DAY с готовящегося англоязычного альбома, который явился плодом сотрудничества с Антоном Беляевым - фронтменом группы Therr Maitz.
11 марта 2015 года Первый канал объявил о том, что в мае 2015 года Гагарина будет представлять Россию на конкурсе «Евровидение 2015» с песней «A Million Voices».
19 мая 2015 года в первом полуфинале заняла 1 место, набрав 182 балла. 23 мая 2015 года в финале «Евровидения» заняла 2 место, набрав 303 балла.
С июня 2015 года Полина прекратила сотрудничество с продюсером и композитором Константином Меладзе.
В сентябре 2015 года Гагарина стала одним из наставников в телепроекте «Голос» на Первом канале. В октябре 2015 года вышел новый сингл «Я не буду» и клип на него. В сентябре 2016 года вновь стала наставником в шоу «Голос».
