Nascida em 9 de abril de 1996 em Mons, Bélgica, Pauline Burlet começou a ter aulas de teatro aos cinco anos de idade. Foi descoberta por Olivier Dahan aos nove anos, que a escolheu para ser a jovem Édith Piaf no filme La Vie En Rose (2007), interpretando a versão jovem da personagem de Marion Cotillard.
Com seu papel em Dead Man Talking (2012), de Patrick Ridremont, ela foi indicada ao Prêmio Magritte na Bélgica de Atriz Mais Promissora.
Em 2013, ela estrelou The Past (2013), de Asghar Farhadi, interpretando Lucie, a filha adolescente e rebelde do personagem de Bérénice Bejo. Por seu papel neste filme, Pauline ganhou o Prêmio Magritte de Atriz Mais Promissora em 2014.
Em 2014, ela interpretou Lili Franchet, protagonista da minissérie Résistance (2014) na França.
