На службе у своего дяди руководил войсками, которые воевали в Малой Азии и Греции. Во время Третьей войны диадохов он изгнал войска правителя Македонии Кассандра из Греции к югу от Фермопильского ущелья. После этого он восстал против власти Антигона и заключил союз с правителем Египта Птолемеем. Вскоре Птолемей обвинил своего союзника в организации заговора и приказал казнить.
Предположительно отцом Полемея был македонский аристократ и брат Антигона Полемей. По предположению Г. Берве, в юности он участвовал в военных походах Александра Македонского. По утверждению Р. Биллоуза во время раздела в Трипарадисе 321 или 320 года до н. э.[к 1] Полемей был назначен одним из четырёх царских телохранителей-соматофилаков Филиппа III Арридея. Такой вывод основан на том, что остальные трое телохранителей были близкими родственниками влиятельных диадохов. Соответственно, по мнению Р. Биллоуза, упомянутый Аррианом Птолемей, сын Птолемея, получил эту должность как племянник Антигона[1].
Полемей упомянут в контексте осады Норы 320—319 или 319—318 годов до н. э.[к 2] Согласно Плутарху, в самом начале осады Антигон предложил осаждённому Эвмену переговоры. Перед их началом Антигон отправил в Нору[англ.] своего племянника, которому на тот момент предположительно было 25—30 лет[2][1][3]. За исключением этого пассажа, а также однократных упоминаний у Мемнона и Арриана, детали биографии Полемея приведены лишь у Диодора Сицилийского[3]. Плутарх, Арриан, Мемнон и Диодор называют племянника Антигона «Птолемеем». В эпиграфических надписях Афин и Ясоса его имя передано как «Полемей». В историографии за персонажем закрепилось именно это имя исключительно из-за удобства, так как позволяет отличать его от более знаменитых тёзок-современников[4][1][5].
В 315 или 314 году до н. э.[к 3] Антигон отправил войско под командованием Полемея в Каппадокию. Ему было поручено осадить Амис, изгнать из области войска Кассандра, а также занять позиции на Геллеспонте, чтобы предотвратить гипотетическую переправку войск Кассандра из Европы в Азию[6][7][3]. В Каппадокии Полемей обнаружил, что Амис осаждён военачальником Кассандра Асклепиодором. Полемей смог снять осаду с города, а затем, по достижении перемирия, когда Асклепиодор покинул провинцию, восстановил в сатрапии власть Антигона[8][9]. После этого Полемей прошёл через Вифинию и вынудил вифинского царя Зипойта снять осаду с Астака[англ.] и Халкидона. Затем Полемей взял заложников и заключил союзы с Зипойтом, а также Астаком и Халкидоном, после чего, по приказу Антигона, отправился в Ионию[10]. Приближение войска Полемея вынудило Селевка снять осаду с Эрифр[11][3].