Karen Allen wurde als Tochter einer Lehrerin und eines FBI-Agenten geboren. In ihren ersten zehn Lebensjahren zog sie mit ihren Eltern und ihrer Schwester durch die USA. Nach der Schule ging Karen nach New York, um dort Kunst und Design am "Fashion Institute of Technology" zu studieren. Doch 1974 stimmten sie ihre Erfahrungen bei "Shakespeare und Company" um und sie nahm ein Studium am "Lee Strasberg Theater Institute" auf.
Ihr Filmdebüt gab Karen Allen laut Steckbrief in "Ich glaub' mich tritt ein Pferd" von 1978. Es folgten Rollen in "The Wanderers" und "A Small Circle of Friends". Ihren Durchbruch schaffte sie 1981 mit dem Film "Jäger des verlorenen Schatzes". Dort spielte sie die Rolle der Marion Ravenwood - die kratzbürstige Heldin und Schwarm von Indiana Jones. Für ihre Leistungen wurde sie mit dem "Saturn Award" als beste Schauspielerin ausgezeichnet. Anschließend spielte sie in "Split Image", "Until September" und "Starman" mit. 2008 nahm sie schließlich ihre Rolle als Marion Ravenwood wieder auf und kam zurück an die Seite von Harrison Ford.
Privat heiratete Karen Allen 1988 ihren Schauspielerkollegen Kale Browne, mit dem sie zwei Jahre später einen Sohn namens Nicholas bekam. 1998 ließ sich das Paar allerdings wieder scheiden. Nach der Geburt ihres Sohnes trat die Schauspielerin etwas kürzer und nahm nur noch kleinere Rollen an, um sich auf die Erziehung zu konzentrieren. 2003 rief Karen Allen ihre eigene Firma "Karen Allen Fiber Arts" ins Leben, die Strickmode herstellt. Ihre Erfahrungen als Schauspielerin gibt sie mit Unterricht am "Bard College at Simon's Rock" weiter.