Pauline Etienne scopre ben presto la sua passione per la musica e la commedia; inizia a fare teatro sin dalla sua adolescenza in Belgio e viene subito notata nel suo paese: ottiene il suo primo ruolo al cinema nel 2008 in "Elève libre", del suo compatriota Joachim Lafosse.
L'anno seguente, Pauline va in Francia e recita nel film di Léa Fehner, "Qu'un seul tienne et les autres suivront", al fianco di Reda Kateb. La consacrazione arriva nel 2009, quando interpreta Claire, una giovane orfana raccolta da suo nonno, interpretato da Michel Piccoli in "Le Bel âge" di Laurent Perreau. La ritroviamo poi nel 2010 in "L'Autre monde" di Gilles Marchand insieme a Grégoire Leprince-Ringuet e Louise Bourgoin. L'anno segunte, l'attrice non esita e prendere peso per interpretare Lucie, adolescente perturbata dall'assenza di sua madre in "Paradis Perdu" di Eve Deboise.
Nel 2013, Pauline Etienne ottiene il ruolo da protagonista in "La Religieuse" di Guillaume Nicloux. In questo adattamento dal romanzo omonimo di Denis Diderot, Pauline si mette nei panni di Suzanne, giovane donna costretta a rientrare nell'Ordine dalla pressione della sua famiglia.
Recita anche nel film "Eden" di Mia Hensen-Love del 2014, che racconta gli euforici anni '90 delle notti parigine.