Karen Allen naît le 5 octobre 1951 à Carrollton dans l'Illinois aux États-Unis.
Sa mère était enseignante et son père agent du FBI. À cause de son métier de policier, la famille Allen déménage souvent. On la surnommait « the new girl in school ».
C'est à l'âge de 20 ans qu'elle se découvre une passion pour la comédie, lorsqu'elle découvre Jerry Grotowski dans un théâtre, qui lui fit une très grande impression. Elle décide alors de suivre le même chemin et s'inscrit à l'Actors Studio ainsi qu'à la Lee Strasberg Institute de New York. Au cours de cette période, elle tourne dans plusieurs films d'étudiants et joue dans plusieurs pièces de théâtre.
En 1978, elle fait ses débuts à l'écran avec la comédie
American College de John Landis, qui fut un très grand succès commercial. Après quelques apparitions dans trois films dont
Manhattan de Woody Allen (1979), elle tient l'un des rôles principaux du thriller très controversé La Chasse réalisé par William Friedkin qui provoqua de violentes réactions lors de sa sortie.
Travaillant sur Les Aventuriers de l'Arche Perdue, Steven Spielberg la choisit pour interpréter la première conquête du célèbre archéologue Indiana Jones, joué par Harrison Ford, après l'avoir remarquée dans
American College. Sa performance de Marion Ravenwood sera considérée comme la meilleure de sa carrière. Le réalisateur déclare :
Le film est un énorme succès commercial et elle obtient un Saturn Award. Sa carrière est alors lancée.
Elle choisit alors de retourner faire de la scène pendant plus de deux ans. Elle remportera plusieurs prix pour ses performances à Broadway.
Elle alterne avec quelques films dont
French Lover (1984) avant de tenir un nouveau rôle marquant dans
Starman de John Carpenter, où elle interprète une jeune femme enlevée par un extra-terrestre avant de s'attacher à lui. Malgré ce nouveau succès, elle se retire pour continuer à faire du théâtre pendant trois ans.
Elle fait son retour en 1987 avec Paul Newman dans La Ménagerie de verre adapté d'une pièce de Tennessee Williams. La même année elle tourne avec Johnny Hallyday dans Terminus. Richard Donner et Steven Soderbergh la dirigent respectivement dans la comédie Fantômes en fête (1988) et dans le drame King of the Hill (1993).
Cependant, la plupart de ses films n'a pas été bien reçue depuis
Starman comme : Animal Behavior (1989), The Turning (1992) ou encore Le Tueur du futur (1993).
Elle se tourne alors vers la télévision et tourne dans des téléfilms tels Challenger (1990) et Le Loup et le raven (1997) avec Richard Chamberlain. Elle est également apparue comme « guest-star » dans les séries Côte Ouest (1979), Alfred Hitchcock présente (1986), New York police judiciaire (1990) ainsi que dans les plusieurs téléfilms dont Secret Weapon (1990) et Seule contre tous (1996). Elle a également tenu le rôle principal de la série télévisée The Road Home.
Elle épouse en 1988 l'acteur Kale Browne, avec qui elle aura un fils Nicolas. Ils divorceront en 1997.
Tout en travaillant au cinéma et à la télévision, elle écrit des pièces de théâtre ainsi que de la poésie.
Avec Denzel Washington elle joue dans
Malcom X de Spike Lee en 1992, apparaît dans le film d'aventure En pleine tempête de Wolfgang Petersen aux côtés de George Clooney en 2000, ainsi que dans In the Bedroom et l'adaptation au cinéma de la série New York police judiciaire l'année suivante.
En 2004, elle se retire des plateaux après avoir tourné aux côtés de Neve Campbell dans When Will I Be Loved pour monter une société de stylisme qu'elle dirige actuellement. Elle explique :
Elle monte un atelier de création dans le Massachusetts où elle développe une gamme de pull-over et de tricots. Ses créations de tricots sont faites en laine écossaise ou italienne ainsi qu'en cachemire. Ses produits se vendent à plusieurs centaines de dollars compte tenu de leur qualité et de la production manuelle en faible quantité.
En 2008, Steven Spielberg la contacte et lui apprend par téléphone qu'il l'engage pour le quatrième volet de la saga Indiana Jones, Indiana Jones et le Royaume du crâne de cristal, présenté au Festival de Cannes hors-compétition. Elle n'a aucun autre projet à l'heure actuelle.