В 1844 вышел первый поэтический сборник Полонского Гаммы, в котором заметно влияние М.Лермонтова. В сборнике уже встречались стихи, написанные в жанре бытового романса (Встреча, Зимний путь и др.). В этом жанре был впоследствии написан и шедевр лирики Полонского Песня цыганки («Мой костер в тумане светит...», 1853). Литературовед Б.Эйхенбаум впоследствии называл главной чертой романсов Полонского «сочетание лирики с повествованием». Для них характерно большое количество портретных, бытовых и других подробностей, отражающих психологическое состояние лирического героя («Пришли и стали тени ночи...» и др.).

По окончании университета Полонский переехал в Одессу, где выпустил второй поэтический сборник Стихотворения 1845 года (1845). Книга вызвала отрицательную оценку В.Г.Белинского, который увидел в авторе «ни с чем не связанный, чисто внешний талант». В Одессе Полонский стал заметной фигурой в кругу литераторов, продолжавших пушкинскую поэтическую традицию. Впечатления одесской жизни впоследствии легли в основу романа Дешевый город (1879).

В 1846 Полонский получил назначение в Тифлис, в канцелярию наместника М.Воронцова. Одновременно стал помощником редактора газеты «Закавказский вестник», в которой печатал очерки. В Тифлисе в 1849 вышел поэтический сборник Полонского Сазандар (Певец). В него вошли баллады и поэмы, а также стихи в духе «натуральной школы» – т.е. изобилующие бытовыми сценами (Прогулка по Тифлису) или написанные в духе национального фольклора (Грузинская песня).

В 1851 Полонский переехал в Петербург. В дневнике 1856 записал: «Не знаю, отчего я чувствую невольно отвращение от всякого политического стихотворения; мне кажется, что в самом искреннем политическом стихотворении столько же лжи и неправды, сколько в самой политике». Вскоре Полонский определенно заявил о своем творческом кредо: «Мне не дал Бог бича сатиры... / И для немногих я поэт» (Для немногих, 1860). Современники видели в нем «скромного, но честного деятеля пушкинского направления» (А.Дружинин) и отмечали, что «он никогда не рисуется и не играет никакой роли, а всегда является таким, каков он есть» (Е.Штакеншнейдер).

В Петербурге Полонский издал два поэтических сборника (1856 и 1859), а также первый сборник прозы Рассказы (1859), в которых Н.Добролюбов заметил «чуткую восприимчивость поэта к жизни природы и внутреннее слияние явлений действительности с образами его фантазии и с порывами его сердца». Д.Писарев, напротив, считал подобные черты проявлениями «узенького психического мира» и относил Полонского к числу «микроскопических поэтиков».

В 1857 Полонский уехал в Италию, где изучал живопись. В Петербург вернулся в 1860. Пережил личную трагедию – смерть сына и жены, отразившуюся в стихах Чайка (1860), Безумие горя (1860) и др. В 1860-е годы написал романы Признания Сергея Чалыгина (1867) и Женитьба Атуева (1869), в которых заметно влияние И.Тургенева. Полонский печатался в журналах разного направления, объясняя это в одном из своих писем А.Чехову: «Я всю жизнь был ничей».

В 1858–1860 Полонский редактировал журнал «Русское слово», в 1860–1896 служил в Комитете иностранной цензуры. Вообще же 1860–1870-е годы были отмечены для поэта читательским невниманием и житейской неустроенностью. Интерес к поэзии Полонского вновь возник в 1880-е годы, когда вместе с А.Фетом и А.Майковым он входил в «поэтический триумвират», пользовавшийся уважением читающей публики. Полонский вновь стал знаковой фигурой в литературной жизни Петербурга, на «пятницах Полонского» собирались выдающиеся современники. Поэт дружил с Чеховым, внимательно следил за творчеством К.Фофанова и С.Надсона. В стихах Сумасшедший (1859), Двойник (1862) и др. предсказал некоторые мотивы поэзии 20 в.

В 1890 Полонский писал А.Фету: «По моим стихам можно проследить всю жизнь мою». В соответствии с этим принципом отражения внутренней биографии он построил свое итоговое Полное собрание сочинений в 5 тт., вышедшее в 1896.

Умер Полонский в Петербурге 18 (30) октября 1898.