Après le cours Florent, Pauline Moulène intègre la 62e promotion de l’ENSATT (ancienne école de la rue Blanche). À sa sortie d’école, à l’automne 2003, elle est engagée dans la troupe permanente
de la Comédie de Valence sous la direction de Philippe Delaigue et Christophe Perton avec lesquels elle travaille notamment sur Bérénice.
Elle quitte la troupe en 2010 et joue à la Comédie Française dans La Folie d’Héraclès mise en scène par Christophe Perton. En 2011, elle joue dans Juste la fin du monde, mise en
scène par Samuel Theis et enregistre de nombreuses fictions pour France Culture. Au cinéma, elle travaille avec Mathieu Amalric, Stéphane Viard et Grégory Magne.