Après cinq ans d’études à Sciences Po Paris et un passage par l’ESAD et l’École du jeu, Pauline Bayle intègre le Conservatoire supérieur national d’art dramatique où elle suit entre autres les cours de Nada Strancar, Caroline Marcadé, Éloi Recoing et Jean-Paul Wenzel.

En 2011, Pauline Bayle fonde sa compagnie et lui donne le nom de sa première pièce, À Tire-d’Aile. Son spectacle suivant À l’Ouest des terres sauvages présenté au Théâtre de Belleville est distingué par le jury du Prix des Jeunes metteurs en scène, organisé par le Théâtre 13 à Paris.

En 2014, Christian Schiaretti lui confie le rôle de Cordélia dans Le Roi Lear de Shakespeare qu’il monte au TNP de Villeurbanne et qu’il reprend au Théâtre de la Ville à Paris. Elle joue sous la direction de Sandrine Bonnaire et Raja Shakarna dans Le Miroir de Jade au Théâtre du Rond-Point en 2015 et Gilles David la dirige dans Clouée au sol de George Brant, monologue d’une femme pilote de l’US Air Force créé au Théâtre des Déchargeurs en 2016.

En 2015, Pauline Bayle adapte et met en scène Iliade puis Odyssée en 2017, d’après les deux épopées d’Homère où cinq comédiens interprètent tous les rôles. En 2018, le Syndicat de la Critique lui décerne le Prix Jean-Jacques Lerrant de la révélation théâtrale pour ce diptyque. Les deux spectacles sont repris en mai 2019 à la Scala à Paris.

Parallèlement, elle met en scène une adaptation du roman Chanson Douce de Leïla Slimani au Studio Théâtre de la Comédie-Française en mars 2019.

Au cours de la saison 2019-2020-2021, elle crée une adaptation des Illusions Perdues de Balzac. Au 1er janvier 2022, elle est prend la direction du Nouveau Théâtre de Montreuil, centre dramatique National.