На побывку в родную Новоспасовку Полина приехала в лётной форме. Колхозники ходили за ней по пятам, а некоторые бесцеремонно спрашивали: «Скажи правду, ты в самом деле летаешь или просто ходишь в военной форме?»
Осипенко говорила, что летает, но ей не верили. Даже мать и та усомнилась. Тогда Полина решила доказать, что она лётчица. Вместе с матерью она уехала в свою часть. Старушка была на аэродроме, когда дочь поднялась в воздух. Самолёт делал «петли Нестерова», «бочки», «штопоры». Мать стояла на зелёном поле, смотрела в небо и плакала. Когда дочь подошла к ней после полёта, счастливая мать сказала: «Ну, теперь я верю, что ты летаешь, расскажу всему селу…»
Служила летчицей в Бобруйской авиабригаде. Степана Говяза для продолжения службы отправили в Ростовскую область и там репрессировали. Он писал родным из заключения: «Отдельные лица разбивали нас [с Полиной] своими переводами и разделами в разные стороны, что и привело к окончательному разрыву… В марте 1939 года я выйду на волю, и не приеду до тех пор, пока обратно не восстановлюсь в авиацию и не получу звание. Не подумайте, что я преступник в полном смысле слова, что я враг народа. Нет!» Из заключения он так и не вернулся.
А его жена стала командиром звена в истребительной авиации. Вскоре она повторно вышла замуж за своего однополчанина, Александра Осипенко, впоследствии Героя Советского Союза за участие в войне в Испании, генерал-лейтенанта авиации. В 1936 году на всесоюзном совещании жен командного состава РККА она торжественно поклялась: «Обещаю летать выше всех девушек мира!» В том же году за успехи в боевой и политической подготовке получила свою первую награду — орден Трудового Красного Знамени.
В 1937 году Полина Осипенко побила сразу три мировых рекорда по высотным полетам. 22 мая поднялась на самолете МП-1 («Морской пассажирский первый») на 8864 метра, улучшив рекорд для женщин-пилотов на самолетах с поршневыми двигателями сразу на три километра.
Через три дня, 25 мая, побила рекорд по максимальному набору высоты с грузом в 500 килограммов — поднялась на 7605 метров. В тот же день побила рекорд с грузом в тонну, поднявшись на 7009 метров. В следующем году года совместно с сокурсницей по Качинскому училищу Верой Ломако и Мариной Расковой установила рекорд полета по замкнутому кругу на гидросамолете. Из Севастополя через Евпаторию и Очаков, и обратно в Севастополь летчицы добрались за девять с половиной часов, пролетев 1749 километров.
Второго июля 1938 года женский экипаж во главе с Осипенко на МП-1 пролетел по маршруту Севастополь — Киев — Новгород — Архангельск, преодолев 2416 километров. Газета «Правда» писала: «Вслед за Владимиром Коккинаки и Александром Бряндинским, совершившими беспосадочный перелет из Москвы на Дальний Восток, блестящий успех выпал на долю трех советских летчиц — Осипенко, Ломако и Расковой».
Летчицы были награждены орденами Ленина.
24 сентября 1938 года экипаж в составе командира Валентины Гризодубовой, второго пилота Полины Осипенко и штурмана Марины Расковой на самолете АнТ-37 «Родина» вылетел из Москвы на Дальний Восток. Полет происходил на специально переоборудованном самолете АнТ-37 «Родина».
В КБ имени Сухого с машины сняли все военное снаряжение, по просьбе штурмана Марины Расковой изменили носовую часть, сделав сплошное остекление. Также заменили двигатели, установили дополнительные бензобаки и баки для масла, рации.
Летчицы должны были долететь без посадки из Москвы в Комсомольск-на-Амуре. Из-за сложных погодных условий летчицы не нашли комсомольский аэродром и израсходовали горючее ближе к побережью Охотского моря. Командир экипажа Валентина Гризодубова решила сажать самолет в лесу. Штурман Марина Раскова по ее приказу выпрыгнула с парашютом. Осипенко и Гризодубова сели на болото в верховьях таежной реки Амгуни. За 26 часов 29 минут летчицы преодолели 6450 километров, поставив очередной мировой рекорд. В Москве Гризодубову, Осипенко, Раскову встречали как героев.
За этот подвиг 2 ноября 1938 года Полине Денисовне Осипенко присвоили звание Героя Советского Союза и назначили наставником пилотов-истребителей. В мае 1939 года Осипенко вместе с Героем Советского Союза, участником войны в Испании Анатолием Серовым (мужем актрисы Валентины Серовой) отправились в Рязанскую область на учебно-тренировочные сборы. 11 мая 1939 года во время отработки полетов по приборам их УТИ-4 («учебно-тренировочный самолет», ставший впоследствии И-16), сорвался в штопор, оба пилота погибли.
В СССР был объявлен траур. Урну с прахом майора Осипенко нес к месту захоронения в Кремлевской стене Вячеслав Молотов, а урну Серова — сам Сталин. Летчице был всего 31 год.
Поэт Александр Твардовский посвятил летчице стихотворение «Полина».
Над великой русскою равниной,
Над простором нив, лесов и вод
Летчица по имени Полина
Совершила славный перелет.
Были с ней ее подруги смелые,
Женщины под стать — одна в одну.
И от моря Черного до Белого
Путь лежал их через всю страну.
Глубоко внизу прошла под ними
Хлебная украинская степь,
Города, сады и темно-синий,