Pauline Martel a été éduquée dans un établissement privé, l'École Sainte-Thérèse à Versailles. Après avoir obtenu son baccalauréat avec succès en 1894, elle a choisi de se concentrer sur des études scientifiques plutôt que d'entrer dans le monde de la mode et de la société.
En 1896, Pauline Martel a rencontré Louis-Victor de Broglie à l'Exposition Universelle à Paris. Ils se sont mariés en juin 1897 et ont eu quatre enfants ensemble : Yvonne (physicienne), Marie-Louise (médicale), Jean (prix Nobel de physique en 1929) et Louis.
Au début du XXe siècle, les Broglie ont travaillé sur le développement d'une nouvelle théorie quantique connue sous le nom de la mécanique ondulatoire, pour laquelle Louis-Victor a reçu le prix Nobel de physique en 1929. Pauline de Broglie a contribué à ce travail en analysant les données expérimentales et en aidant son mari à développer sa théorie quantique.
Pauline de Broglie est également connue pour avoir travaillé sur la réfraction des ondes lumineuses et a écrit plusieurs articles scientifiques. Elle a également été active dans le domaine de l'éducation, aidant à fonder l'Université Pierre et Marie Curie en 1906 et s'engageant pour améliorer l'accès à l'éducation supérieure pour les femmes.
Pauline de Broglie a été nommée chevalier de la Légion d'honneur en 1952 pour ses contributions à la science et à l'éducation. Elle est décédée en 1961 à Vincennes, à l'âge de 87 ans. Son travail a continué à être reconnu dans le monde de la science, et elle reste une figure influente pour les femmes qui poursuivent des études supérieures dans les domaines scientifiques.