Poljonowa hat 106 Länderspiele für die russische Nationalmannschaft bestritten. Mit Russland wurde sie 2005 und 2007 Weltmeisterin. Bei den Europameisterschaften errang sie 2006 die Silbermedaille und 2008 die Bronzemedaille. Bei den Olympischen Spielen 2008 holte sie sich die Silbermedaille. Eine kurze Zeit später zog sie sich aus der Nationalmannschaft zurück.