Известный специалист в области римской литературы и истории античной драмы. До 1994/95 академического г. руководила дипломными работами студентов кафедры. Изучению античной драмы посвящена ее кандидатская диссертация «Историко-литературный анализ трагедии Софокла "Трахинянки"», защищенная в 1948 г. Наибольшей известностью пользуется книга К. П. Полонской «Римские поэты эпохи принципата Августа» (М., Московский университет, 1963), а также две книги, написанные в соавторстве с Виктором Ноевичем Ярхо: В.Н. Ярхо, К.П.Полонская. «Античная лирика. Ранняя греческая лирика. Эллинистическая лирика. Римская лирическая поэзия». (М., 1967); В.Н. Ярхо, К.П.Полонская. «Античная комедия. Пособие по спецкурсу для студентов-заочников филологических факультетов университетов и пединститутов». (М., Изд-во Моск. ун-та, 1979). Совместно с Л. П. Поняевой она издала «Хрестоматию по ранней римской литературе» (1984 г.) - уникальное в отечественной литературе собрание архаических латинских текстов, снабженных русским переводом и комментарием. К. П. Полонской принадлежит также ряд других научных трудов и статей.