Γεννήθηκε στην πόλη της Κέρκυρας από πλούσια αριστοκρατική οικογένεια με καταγωγή από την Κωνσταντινούπολη. Μικρός έχασε τον πατέρα του και έμεινε με την καλλιεργημένη και φιλόμουση μητέρα του, που του ενέπνευσε την αγάπη για την τέχνη. Το σπίτι της ήταν τόπος συγκέντρωσης καλλιτεχνών και λογίων της εποχής, μεταξύ των οποίων ήταν και ο Σολωμός, ο οποίος είχε μαζί της θερμή φιλία. Έτσι, ο Πολυλάς βρέθηκε από μικρός σε ιδανικό πνευματικό περιβάλλον και στη συνέχεια, ιδιαίτερα μετά τον πρόωρο θάνατο της μητέρας του, συνδέθηκε με τον Σολωμό και έγινε ο αγαπημένος του μαθητής. Για την σχέση τους αυτή σημειώνει ο Πολυλάς: «Έλαβα από αυτόν (τον Σολωμό) ευεργεσίες, και πνευματικές και χρηματικές, οποίες δεν ημπορούν να φύγουν από την καρδιά μου διά καμίαν αιτίαν».

Η φιλολογία ήταν το ιδανικό του, γι’ αυτό και από νωρίς μελετάει την αρχαία και νεότερη λογοτεχνία και μαθαίνει γερμανικά για να γνωρίσει σε βάθος την γερμανική φιλολογία. Επηρεασμένος από τον Σολωμό, θεωρεί ότι η δημιουργία πνευματικού πολιτισμού και φιλολογίας ξεκινάει από τον λαϊκό πολιτισμό, γι’ αυτό συγκεντρώνει λαογραφικό υλικό: παροιμίες, παραμύθια, τραγούδια, παραδόσεις, μύθους, γλωσσικό υλικό. Ταυτόχρονα εμπνέεται από τις φιλελεύθερες πολιτικές αρχές και τη δημοκρατία. Από το 1849 έως το 1851 μεταφράζει από τα γερμανικά για τον Σολωμό αισθητικές μελέτες του Σίλλερ, του Γκαίτε και του Χέγκελ. Μεταφράζει επίσης την Τρικυμία του Σαίξπηρ και την δημοσιεύει σε πεζό με μια εισαγωγή που τον καθιερώνει ως κριτικό.

Το 1857 πέθανε ο Σολωμός και ο Πολυλάς εκφώνησε σύντομη νεκρολογία, ένα μοναδικό κείμενο της πεζογραφίας που στέκεται άξια δίπλα στα «Προλεγόμενά» του. Αμέσως μετά το θάνατο του δασκάλου του, ανέλαβε να εκδώσει τα κατάλοιπά του από τα χειρόγραφά του. Η έκδοση των Ευρισκομένων «αποτελεί μνημείο κριτικής», όπως σημειώνει ο Κ. Θ. Δημαράς, ενώ τα «Προλεγόμενα» που προτάσσονται στην έκδοση είναι, όπως αναφέρει ο μετέπειτα εκδότης του σολωμικού έργου Λίνος Πολίτης, «από τις πολυτιμότερες μαρτυρίες που έχουμε για την ποίηση και την προσωπικότητα του Σολωμού».

Το πρωτότυπο λογοτεχνικό του έργο είναι λιγοστό. Έγραψε μόνο τρία σονέτα (Μια πρώτη αγάπη, Το Σούλι, Ο ερασιτέχνης) και λίγα διηγήματα και ήταν ο πρώτος που μετέφρασε τον Όμηρο στα νέα ελληνικά (Οδύσσεια, 1875, Ιλιάδα, 1890). Υπήρξε επίσης  από τους καλύτερους μεταφραστές του Σαίξπηρ (Τρικυμία, 1855, Άμλετ, 1890). Τεχνίτης του λόγου αλλά και του στίχου ο Πολυλάς «ήταν και μένει», σύμφωνα με τον Κ. Θ.Δημαρά, «ο κατεξοχήν κριτικός της λογοτεχνίας μας».

Η γλώσσα του Πολυλά επηρεάστηκε από τον Σολωμό. Πίστευε ότι η δημοτική μας γλώσσα μπορούσε να καλλιεργηθεί περισσότερο και να επηρεαστεί θετικά από την λόγια γλώσσα, χωρίς όμως να αλλάξει χαρακτήρα. Ωστόσο, στη μελέτη του Η φιλολογική μας γλώσσα (1892),  έχει απομακρυνθεί από τις γλωσσικές απόψεις του κύκλου του Σολωμού και ρέπει προς τον αρχαϊσμό.

Εκτός από την συγγραφική, ο Πολυλάς ανέπτυξε πολιτιστική και πολιτική δραστηριότητα. Ίδρυσε μαζί με άλλους τον εθνικο-φιλολογικό σύλλογο Αναγέννησις (1862) και εξέδωσε τις πολιτικο-φιλολογικές εφημερίδες, Αναγέννησις (1863), Ρήγας Φεραίος (1871-1894) και Κώδωνας (1870-1874). Αγωνίστηκε για την ένωση της Επτανήσου με την Ελλάδα και την απελευθέρωση των σκλαβωμένων ελληνικών εδαφών, για την ηθική εξυγίανση και την πνευματική πρόοδο. Εκλέχτηκε πέντε φορές βουλευτής.

Ο Πολυλάς ήταν φιλελεύθερος, εκπρόσωπος της προοδευτικής αριστοκρατίας του καιρού του και αγωνίστηκε για την απαλλοτρίωση των τιμαριώτικων κτημάτων και την απόδοσή τους στους καλλιεργητές, καθώς επίσης και για την τοπική αυτοδιοίκηση.