Le passage de Polonia chez les Yankees s'avère tumultueux. Quelques semaines après son arrivée, le , il est arrêté dans un hôtel de Milwaukee, dans l'État du Wisconsin[1]. Accusé d'avoir eu une relation sexuelle avec une adolescente de 15 ans, qui avoua avoir été consentante, l'athlète alors âgé de 25 ans est condamné à 60 jours de prison[2]. Il termine néanmoins la saison 1989 avec une moyenne au bâton de ,335 et frappe 135 coups sûrs, cinq de plus que l'année précédente.
Polonia s'aligne avec les Yankees jusqu'en 1990, alors qu'il est échangé en cours de saison aux Angels de la Californie. Pour ces deux équipes, il frappe pour ,335 en 120 parties jouées. En 1991, il connaît avec les Angels l'une de ses meilleures campagnes avec des sommets personnels de 179 coups sûrs, 92 points marqués et 50 points produits. Après une saison de 48 buts volés en 1991, il augmente sa récolte de larcins à 51 en 1992, puis 55 en 1993.
Après la saison 1993, Polonia est rapatrié par les Yankees qui engagent le voltigeur devenu agent libre. Échangé aux Braves d'Atlanta pour un joueur des ligues mineures pendant la saison 1995, il aide sa nouvelle équipe à décrocher le titre de la division Est de la Ligue nationale. Il fait bien en séries éliminatoires, frappant pour ,286 (6 coups sûrs en 21) et produit quatre points en Série mondiale, où Atlanta défait Cleveland en six matchs. En 1996, Polonia et les Braves retournent en grande finale, mais le Dominicain est blanchi au bâton durant toutes les éliminatoires. Atlanta s'incline cette fois devant les Yankees.
Réserviste avec Baltimore puis de nouveau Atlanta en 1996, il est absent des Ligues majeures pendant deux ans avant de refaire surface en 1999 chez les Tigers de Detroit. Libéré par ses derniers en 2000, il obtient des Yankees un troisième séjour dans le Big Apple, l'équipe du Bronx lui offrant un contrat en août. Il apparaît pour la dernière fois dans un match des majeures le , dans le troisième match de la Série mondiale entre les Yankees et leurs rivaux new-yorkais, les Mets[3]. Deux jours plus tard, les Yankees savourent leur 26esacre, donnant à Polonia sa seconde bague de champion de la Série mondiale.
Luis Polonia a disputé 1 379 parties en 12 ans dans les majeures, réussissant 1 417 coups sûrs, dont 189 doubles, 70 triples et 36 circuits. Il a produit 405 points et en a marqué 728. Sa moyenne au bâton en carrière est de ,293. Il totalise 321 vols de buts en 466 tentatives.
Après sa carrière en MLB, il dispute deux saisons (2001 et 2002) avec les Tigres de Mexico[4], une équipe de la Ligue mexicaine de baseball à l'époque basée dans la capitale du pays, mais aujourd'hui déménagée dans une autre ville.
