Родился в 1906 году в селе Сухой Отрог.

После окончания Оренбургской школы летчиков добровольно ушел сражаться в Китай, где совершил 189 боевых вылетов. В 1934 году награжден орденом Красного Знамени. В 1937 году возглавил бомбардировочную авиацию Ханькоуской группы в войне Китая против японских милитаристов.

Указом Президиума Верховного Совета СССР от 14 ноября 1938 года Ф.П. Полынину присвоено звание Героя Советского Союза.

С августа 1941 года возглавлял военно-воздушные силы Брянского фронта, участвовал в битве под Москвой, с 1943 года был командующим воздушной армии, в 1944–1947 годах возглавлял военно-воздушные силы войска Польского.