Faits:
A. A.a X._, né le 22 mai 1976, et Y._, née le 1er mars 1976, se sont mariés le 5 août 2000 à Lublin (Pologne).
Trois enfants sont issus de cette union: A._, né le 12 janvier 2003, B._, né le 1er septembre 2004, et C._, née le 15 juillet 2008.
A.b Le 25 janvier 2012, le Tribunal d'arrondissement de Varsovie (Pologne) a prononcé le divorce, par consentement mutuel, des époux. Il a confié l'exercice de l'autorité parentale aux deux parents et la garde à la mère. Le père a en outre été condamné à contribuer à l'entretien des enfants par le versement d'une somme mensuelle de 2'200 Zlotys par enfant. Le tribunal ne s'est pour le reste pas prononcé sur les relations personnelles.
Le même jour, les parties ont passé une convention sur les effets accessoires de leur divorce; elles sont convenues que la résidence des enfants serait auprès de leur mère. Le droit de visite du père a été prévu à raison d'une semaine par mois, la première semaine de chaque mois du vendredi après-midi au vendredi matin suivant, et du troisième week-end du mois, ainsi que pendant un mois complet durant les vacances d'été, une semaine durant les vacances d'hiver et aux fêtes de Noël et de Pâques, les années impaires.
A.c Le 6 février 2012, Y._ a quitté la Pologne avec les enfants pour prendre domicile auprès de son père à Onex. Elle a inscrit les deux aînés à l'école publique de D._ et la cadette à la crèche-garderie E._.
B. Le 11 avril 2012, X._ a saisi la Cour de justice du canton de Genève d'une demande de retour des enfants en Pologne en se fondant sur la Convention de La Haye sur les aspects civils de l'enlèvement international d'enfants du 25 octobre 1980 (CLaH80; RS 0.211.230.02).
Par arrêt du 13 juin 2012, la Cour de justice du canton de Genève a rejeté la requête.
C. Le 25 juin 2012, X._ exerce un recours en matière civile au Tribunal fédéral contre cet arrêt, concluant à sa réforme en ce sens qu'il soit ordonné à la mère, sous la menace de la peine prévue à l'<ref-law>, de ramener dans un délai très bref les enfants à Varsovie ou de lui permettre de les y emmener et que, en cas de non-respect par l'intimée, l'autorité d'exécution procède au retour des enfants à Varsovie. Subsidiairement, il conclut qu'il soit constaté que la retenue des enfants en Suisse est illicite, qu'un curateur soit nommé pour la représentation des enfants, qu'une médiation ou une conciliation soit ordonnée entre les parties, qu'il soit établi que l'intérêt des enfants ne s'oppose pas à un retour en Pologne, puis que le retour soit ordonné; plus subsidiairement, il requiert que, si besoin est, le contenu du droit polonais soit préalablement établi et encore plus subsidiairement que la cause soit renvoyée à la Cour cantonale pour nouvelle décision dans le sens des considérants. À l'appui de ses conclusions, il se plaint de violation des art. 3 et 14 de la CLaH80 et 23 de la Convention de La Haye du 19 octobre 1996 concernant la compétence, la loi applicable, la reconnaissance, l'exécution et la coopération en matière de responsabilité parentale et de mesures de protection des enfants (CLaH96, RS 0.211.231.011) et des art. 29 al. 2 Cst. ainsi que 8 et 9 de la loi fédérale sur l'enlèvement international d'enfants et les Conventions de La Haye sur la protection des enfants et des adultes du 21 décembre 2007 (LF-EEA, RS 211.222.32).
Invitées à se déterminer sur le recours, l'intimée conclut à son rejet et la Cour cantonale se réfère aux considérants de son arrêt.

Considérant en droit:
1. Les décisions statuant sur le retour d'un enfant en application de la Convention de La Haye sur les aspects civils de l'enlèvement international d'enfants du 25 octobre 1980 (RS 0.211.230.02; CLaH80) ne sont pas des affaires civiles. Il s'agit d'entraide administrative entre les États contractants (<ref-ruling> consid. 2b), donc d'une question relevant du droit public mais qui est en rapport direct avec le respect et la mise en oeuvre du droit civil étranger (art. 72 al. 2 let. b ch. 1 LTF; <ref-ruling>). La Cour de justice du canton de Genève a statué en instance cantonale unique conformément à l'art. 7 al. 1 de la loi fédérale sur l'enlèvement international d'enfants et les Conventions de La Haye sur la protection des enfants et des adultes du 21 décembre 2007 (LF-EEA, RS 211.222.32); il y a ainsi exception légale au principe du double degré de juridictions cantonales (<ref-law>). Le délai légal de 10 jours (art. 100 al. 2 let. c LTF) est en outre respecté de sorte que le recours en matière civile est en principe recevable.
2. 2.1 Le recours en matière civile peut être formé pour violation du droit fédéral et du droit international (art. 95 let a et b LTF). Le Tribunal fédéral applique le droit d'office (<ref-law>) sans être lié ni par les motifs de l'autorité précédente, ni par les moyens des parties; il peut donc admettre le recours en se fondant sur d'autres arguments que ceux invoqués par le recourant, comme il peut le rejeter en opérant une substitution de motifs (<ref-ruling> consid. 2.2). Il ne connaît cependant de la violation des droits fondamentaux ou du droit cantonal que si ce grief a été soulevé et motivé (<ref-law>; <ref-ruling> consid. 3.2; <ref-ruling> consid. 1.4.2). Si le recourant se plaint de la violation de tels droits, il doit ainsi satisfaire au principe d'allégation (Rügeprinzip, principio dell'allegazione), en indiquant précisément quelle disposition constitutionnelle ou légale a été violée et en démontrant, par une argumentation précise, en quoi consiste la violation (<ref-ruling> consid. 1.4; <ref-ruling> consid. 1.4.2).
2.2 Saisi d'un recours en matière civile, le Tribunal fédéral statue sur la base des faits établis par l'autorité précédente (<ref-law>). Il ne peut s'en écarter que si ces faits ont été établis de façon manifestement inexacte ou en violation du droit au sens de l'<ref-law> (<ref-law>), et si la correction du vice est susceptible d'influer sur le sort de la cause (<ref-law>). Le recourant qui entend invoquer que les faits ont été établis de manière manifestement inexacte (<ref-law>), c'est-à-dire que les constatations de fait sont arbitraires au sens de l'art. 9 Cst. (ATF <ref-ruling> consid. 1.2.2), doit satisfaire au principe d'allégation susmentionné (cf. supra consid. 2.1).
3. En substance, la Cour cantonale a considéré que, dans la mesure où la garde sur les enfants avait été attribuée à l'intimée par jugement de divorce et que les parties étaient convenues de fixer sans réserve la résidence de ceux-ci auprès de la mère, un accord préalable du père avant le départ en Suisse des enfants n'était pas nécessaire, quand bien même le choix de la résidence des enfants relèverait de l'autorité parentale et non de la garde en droit polonais. Elle en a déduit que le déplacement des enfants par la mère n'était pas illicite au sens de l'art. 3 par. 1 let. a CLaH80.
4. Le recourant invoque, de manière générale, que le droit polonais exige l'accord du parent non-gardien, codétenteur de l'autorité parentale, pour l'établissement de la résidence des enfants à l'étranger et que cet accord ne saurait être déduit de la convention parentale passée entre les parties lors du divorce dès lors qu'elle prévoit un droit de visite d'une semaine mensuelle en sa faveur. Il en conclut que le déplacement en Suisse de la résidence des enfants est illicite.
4.1 La Pologne comme la Suisse ont ratifié aussi bien la CLah80 que la Convention de La Haye du 19 octobre 1996 concernant la compétence, la loi applicable, la reconnaissance, l'exécution et la coopération en matière de responsabilité parentale et de mesures de protection des enfants (CLaH96, RS 0.211.231.011). La première est entrée en vigueur respectivement le 1er octobre 1994 et le 1er janvier 1984, la seconde respectivement le 1er novembre 2010 et le 1er juillet 2009. En vertu de l'art. 50 de la CLaH96, la CLaH96 n'affecte cependant pas la CLaH80 dans les relations entre les États parties aux deux conventions.
4.2 Le déplacement ou le non-retour d'un enfant est considéré comme illicite, s'il a eu lieu en violation d'un droit de garde attribué par le droit de l'État dans lequel l'enfant avait sa résidence habituelle immédiatement avant son déplacement ou son non-retour (art. 3 par. 1 let. a CLaH80).
4.3 Ce droit de garde, qui peut notamment résulter d'une attribution de plein droit, d'une décision ou d'un accord en vigueur selon le droit de cet État (art. 3 par. 2 CLaH80) comprend le droit portant sur les soins de la personne de l'enfant, et en particulier celui de décider de son lieu de résidence (art. 5 let. a CLaH80). Il s'ensuit que le parent qui dispose du droit de s'opposer au déménagement de l'enfant à l'étranger est titulaire d'un droit de garde au sens de la CLaH80 (PIRRUNG in: Staudinger, Kommentar zum BGB, 2009, n. D37 Vorbem. zu art. 19 EGBGB; SIEHR in: Münchener Kommentar zum BGB, vol. 10, 2010, n. 28 Anh. II ad art. 21 EGBGB). Pour déterminer le ou les parents titulaires de ce droit, il y a lieu de se référer à l'ordre juridique de l'État de la résidence habituelle de l'enfant avant le déplacement ou le non-retour (<ref-ruling> consid. 2.1.1), c'est-à-dire tout d'abord aux règles du droit international privé de cet État - y compris les conventions internationales - (<ref-ruling> consid. 3.5), puis au droit matériel auquel il renvoie.
En vertu de l'art. 17 CLaH96 - applicable in casu pour déterminer le droit applicable -, l'exercice de la responsabilité parentale est régi par la loi de l'État de la résidence habituelle de l'enfant.
Il n'est pas contesté que les enfants avaient leur résidence en Pologne avant leur déplacement en Suisse, de sorte que c'est le droit interne de ce pays qui est applicable en l'espèce.
Il n'est pas contesté que les enfants avaient leur résidence en Pologne avant leur déplacement en Suisse, de sorte que c'est le droit interne de ce pays qui est applicable en l'espèce.
4.4 4.4.1 L'<ref-law> pose l'obligation pour le juge d'établir d'office le droit étranger, sans s'en remettre au bon vouloir des parties, auxquelles il doit toutefois donner la possibilité de s'exprimer quant au droit applicable à un stade de la procédure qui précède l'application de ce droit (<ref-ruling> consid. 5a). Le juge doit d'abord chercher à établir lui-même le droit étranger (art. 16 al. 1, 1ère phrase, LDIP). Il a plusieurs possibilités pour associer les parties à l'établissement du droit applicable. Il peut, dans tous les cas, exiger qu'elles collaborent à l'établissement de ce droit (art. 16 al. 1, 2ème phrase, LDIP), par exemple en invitant une partie qui est proche d'un ordre juridique étranger à lui apporter, en raison même de cette proximité, des informations sur le droit applicable. Même si les parties n'apportent pas la preuve du droit étranger, le juge doit, conformément au principe « jura novit curia », chercher à déterminer ce droit dans la mesure où cela n'apparaît pas disproportionné (arrêt 5A_193/2010 du 7 juillet 2010 consid. 2.3).
4.4.2 La Cour cantonale a considéré que, quel que soit le contenu du droit polonais, la convention parentale, prévoyant que la résidence des enfants était chaque fois auprès de leur mère, dispensait celle-ci de requérir l'accord du père pour s'établir en Suisse avec eux. Cette interprétation de l'accord des parties sur les effets accessoires de leur divorce ne peut cependant intervenir qu'à la lumière du droit polonais qui lui est applicable et dont la Cour cantonale aurait dû préalablement établir le contenu.
4.4.3 Selon l'art. 58 du Code polonais de famille et de tutelle du 25 février 1964, le juge statue, dans le jugement de divorce, sur la question de l'autorité parentale à l'égard de l'enfant mineur du couple ainsi que sur la participation de chacun des parents aux dépenses liées à l'entretien et l'éducation de l'enfant (al. 1); il peut confier l'exercice de l'autorité parentale à l'un des parents et limiter l'autorité de l'autre à des devoirs et prérogatives envers l'enfant ou, sur requête commune, confier aux deux parents l'autorité parentale (al. 1a). Selon l'art. 97 du Code polonais de famille et de tutelle, si les deux parents sont titulaires de l'autorité parentale, chacun d'eux a le droit et l'obligation de l'exercer (al. 1); ils ont cependant le devoir de l'exercer conjointement pour les questions essentielles relatives à l'enfant; en cas de désaccord, le tribunal tutélaire statue (al. 2; cf. pour les dispositions légales citées: BERGMANN/FERID, Internationales Ehe- und Kindschaftsrecht, Polen, 195. Lieferung [Stand 1.1.2012], p. 57 et 65; Responsabilité parentale, garde des enfants et droit de visite, Etude de l'Institut suisse de droit comparé [ISDC] pour la Commission des Pétitions du Parlement européen, 2010, http://www.europarl.europa.eu.studies [citée: Etude ISDC], p. 172 s.; LUDWIG, in Süss/Ring, Eherecht in Europa, 2006, p. 981; DUTOIT ET ALII, Le divorce en droit comparé, Vol. 1, 2000, p. 340).
La loi polonaise ne contient aucune liste exhaustive des questions importantes pour lesquelles l'accord des deux parents est nécessaire; le déménagement des enfants à l'étranger est cependant considéré comme telle par la jurisprudence (Etude ISDC, p. 171 et la jurisprudence citée). Le départ permanent de l'enfant à l'étranger nécessite ainsi l'accord des deux parents, quelle que soit l'étendue de l'autorité parentale de chacun d'eux (Etude ISDC, p. 173 s. et la jurisprudence citée).
En l'espèce, le recourant, cotitulaire de l'autorité parentale, doit ainsi consentir au déplacement de la résidence des enfants à l'étranger. Il dispose dès lors du droit de garde sur ses enfants au sens de l'art. 5 let. a CLaH80.
4.5 La Cour cantonale a admis que le recourant avait implicitement consenti au déplacement de ses enfants en Suisse en passant la convention accessoire sur les effets du divorce, dès lors que dite convention prévoyait que la résidence de ceux-ci serait chaque fois auprès de leur mère, et que cette dernière pouvait ainsi se passer de son accord préalable. L'intimée soutient le même point de vue dans ses observations. Elle rappelle, par ailleurs, qu'elle aurait annoncé au recourant dès 2010 son intention de quitter la Pologne pour la Suisse.
À l'aune du droit polonais, qui exige impérativement l'accord des deux parents cotitulaires de l'autorité parentales pour un déménagement des enfants à l'étranger, la convention passée lors du divorce ne saurait suffire. En effet, s'il y est prévu que la résidence des enfants serait chaque fois auprès de leur mère, il est également convenu que le père exerce un large droit de visite, notamment chaque première semaine et troisième week-end de chaque mois. Or, le déménagement des enfants de Pologne en Suisse rend impossible l'exercice d'un tel droit de visite. Il suit de là que, en donnant son accord à ce que la résidence des enfants soit à chaque fois auprès de leur mère, le recourant n'a pas, même implicitement, consenti au déplacement de la résidence des enfants en Suisse par leur mère. Le fait que celle-ci ait annoncé dès 2010 au recourant son intention de quitter la Pologne n'est pas non plus de nature à modifier cette appréciation tant le départ des enfants pour la Suisse se révèle en contradiction avec la convention parentale intervenue moins de quinze jours auparavant. En conséquence, le déplacement des enfants a eu lieu en violation des droits, que reconnaît le droit polonais au recourant et qui constituent un droit de garde au sens de l'art. 5 let. a CLaH80; il est dès lors illicite au sens de l'art. 3 par. 1 let. a CLaH80.
5. Dès lors que l'intimée s'oppose au retour des enfants en Pologne, il y a lieu d'examiner si les conditions d'une exception au retour sont réunies en l'espèce.
5.1 En vertu de l'art. 13 par. 1 let. b CLaH 80, l'autorité judiciaire de l'État requis n'est pas tenue d'ordonner le retour de l'enfant lorsque la personne qui s'oppose à son retour établit qu'il existe un risque grave que ce retour n'expose l'enfant à un danger physique ou psychique, ou de toute autre manière ne le place dans une situation intolérable. Les exceptions au retour prévues à l'art. 13 de la CLaH80 doivent être interprétées de manière restrictive, le parent ravisseur ne devant tirer aucun avantage de son comportement illégal (arrêts 5A_913/2010 du 4 février 2011 consid. 5.1 in: FamPra.ch 2011 p. 505; 5A_288/2007 du 16 août 2007 consid. 4.1 in: FamPra.ch 2008 p. 213). Seuls des risques graves doivent être pris en considération, à l'exclusion de motifs liés aux capacités éducatives des parents, dès lors que la CLaH80 n'a pas pour but de statuer au fond sur le sort des enfants (<ref-ruling> consid. 2.4; <ref-ruling> consid. 5.3). L'<ref-law> précise l'application de l'art. 13 par. 1 let. b CLaH80, en clarifiant les cas dans lesquels le retour de l'enfant ne doit pas être imposé pour éviter de le placer dans une situation intolérable. Il s'agit notamment des cas dans lesquels les conditions cumulatives suivantes sont réunies: 1° le placement auprès du parent requérant n'est manifestement pas dans l'intérêt de l'enfant; 2° le parent ravisseur, compte tenu des circonstances, n'est pas en mesure de prendre soin de l'enfant dans l'État dans lequel l'enfant avait sa résidence habituelle au moment de l'enlèvement ou que l'on ne peut manifestement pas l'exiger de lui; 3° le placement auprès de tiers n'est manifestement pas dans l'intérêt de l'enfant (<ref-law>; arrêt 5A_583/2009 du 10 novembre 2009 consid. 4 in: SJ 2010 I p. 151).
5.2 En l'espèce, l'intimée a allégué en instance cantonale que, en cas de retour en Pologne, les enfants seraient coupés d'elle dès lors qu'elle ne dispose pas des moyens suffisants pour assurer des déplacements entre la Suisse et la Pologne. Elle a également relevé qu'ils sont désormais scolarisés et intégrés à Genève et que leur condition de vie y serait plus satisfaisante qu'en Pologne. En outre, elle invoque, pour la première fois devant le Tribunal fédéral, être inscrite à l'Université de Genève où elle entend débuter une nouvelle formation en Études de Genre. L'intimée prétend enfin que la procédure de retour doit être suspendue jusqu'à droit connu sur la procédure de modification du jugement de divorce introduite par le recourant en Pologne.
5.3 Ces motifs ne démontrent nullement en quoi un retour en Pologne des enfants, qui ne sont établis en Suisse que depuis un peu plus de cinq mois, serait susceptible de les exposer à un danger physique ou psychique ou de les placer dans une situation intolérable. En particulier, l'intimée n'allègue aucun élément empêchant impérativement son propre retour en Pologne. À cet égard, il convient notamment de relever que, originaire de ce pays, elle y a vécu de 2005 à 2012 et que, s'agissant de la formation envisagée, elle ne prétend pas qu'il n'est pas possible de la réaliser en Pologne. En outre, si celle-ci décidait de rester en Suisse, aucun élément du dossier ne permet de conclure que le placement des enfants auprès du recourant ne serait manifestement pas dans leur intérêt. Enfin, on ne saurait surseoir à statuer sur le retour jusqu'à droit connu dans la procédure de modification du jugement de divorce pendante en Pologne compte tenu de l'objectif de la CLaH80, qui vise à assurer le retour immédiat des enfants déplacés ou retenus illicitement (art. 1 let. a CLaH80), et des exigences de célérité de l'art. 11 CLaH80. Dans ces circonstances, il n'y a pas lieu de faire exception au retour des enfants. Il appartiendra donc à l'intimée d'assurer le retour de A._, B._, et C._ en Pologne d'ici au 15 août 2012 ou de laisser le recourant les y emmener.
Ces motifs suffisent à l'admission du recours sans qu'il n'y ait lieu d'examiner plus avant les autres griefs soulevés par le recourant.
6. En définitive, le recours doit donc être admis et l'arrêt attaqué réformé en ce sens qu'ordre est donné à l'intimée, sous la menace de l'amende prévue à l'<ref-law>, d'assurer le retour de A._, B._, et C._ en Pologne d'ici au 15 août 2012 ou de laisser le recourant les y emmener. Les art. 26 CLaH80 et 14 LF-EEA prévoient la gratuité de la procédure; toutefois, conformément aux dispositions de l'art. 42 CLaH80 et par application de l'art. 26 par. 3 CLaH80, la Pologne a déclaré n'être tenue au paiement des frais visés au deuxième paragraphe de l'article 26 CLaH80, liés à la participation d'un avocat ou d'un conseiller juridique, ou aux frais de justice, que dans la mesure où ces coûts peuvent être couverts par son système d'assistance judiciaire et juridique. La Suisse applique dans ce cas le principe de la réciprocité (art. 21 al. 1 let. b de la Convention de Vienne du 23 mai 1969 sur le droit des traités [RS 0.111]), de sorte que la procédure devant le Tribunal fédéral n'est pas gratuite (arrêts 5A_25/2010 du 2 février 2010 consid. 3; 5A_840/2011 du 13 janvier 2012 consid. 6). L'intimée, qui succombe, supportera ainsi les frais judiciaires (<ref-law>) arrêtés à 2'000 fr. Elle versera en outre au recourant une indemnité de dépens à hauteur de 4'000 fr. (<ref-law>) pour les instances fédérale et cantonale (<ref-law>).

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est admis et l'arrêt attaqué réformé en ce sens qu'il est ordonné à l'intimée, sous la menace de l'amende prévue à l'<ref-law>, d'assurer le retour des enfants A._, B._ et C._ en Pologne d'ici au 15 août 2012 ou de laisser le recourant les y emmener.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 2'000 fr., sont mis à la charge de l'intimée.
3. Une indemnité de 4'000 fr., à payer au recourant à titre de dépens pour les instances fédérale et cantonale, est mise à la charge de l'intimée.
4. Le présent arrêt est communiqué aux parties, à la Cour de Justice du canton de Genève, Autorité centrale cantonale, et à l'Office fédéral de la justice, Autorité centrale fédérale.
Lausanne, le 13 juillet 2012
Au nom de la IIe Cour de droit civil
du Tribunal fédéral suisse
La Présidente: Hohl
Le Greffier: Richard