Родился в Ленинграде в семье стюардессы и капитана дальнего плавания. Окончив школу, поступил в медицинское училище, позже был призван на службу в армию. В 1999 году окончил СПбГАТИ (учился на курсе А. Ю. Толубеева). В 1999—2013 годах состоял в труппе БДТ им. Г. А. Товстоногова. Снимался в эпизодических ролях в сериалах «Агент национальной безопасности», «Тайны следствия», «Улицы разбитых фонарей», «Гибель империи», «Литейный» и многих других. Приобрёл популярность благодаря главной роли в фильме «Чужая» (2010, реж. Антон Борматов). Также снимался в таких популярных сериалах, как «Метод», «Лучше, чем люди», «Шеф», «Чужой район» и многих других. В середине октября 2022 года в российский прокат вышел фильм «Сказка для старых», в котором Полухин исполнил одну из главных ролей. Фильм срежиссировали Роман Михайлов и Фёдор Лавров.
Благодаря характерной внешности снимается в основном в ролях отрицательных персонажей.