Figlia di un Agente dell'FBI, Carroll Thompson Allen, e di un'insegnante, Patricia A. Howell, l'affascinante Karen avvia la sua carriera cinematografica imbucandosi ai festini spericolati di Animal House. L'attrice conduce i primi dieci anni di vita trasferendosi di città in città, a causa del lavoro del padre.
Nel 1969 si diploma alla Du Val High School nel Glenndale Maryland. Decide, poi, di separarsi dai genitori e dalle due sorelle per compiere studi artistici, presso il Fashion Institute of Technology di New York.
Li, nella Grande Mela, la ragazza si appassiona alla recitazione, tanto da entrare al Washingon Theatre Laboratory, compagnia che la porta in giro per il paese. Karen è, ora più che mai, determinata a diventare un'interprete completa: nel 1977, fa il suo ingresso al prestigioso Lee Strasberg Institute. Nel 1981, si impone a livello internazionale grazie al ruolo della bella avventuriera Marion Ravenwood che, con il suo antico medaglione, riesce ad incantare lo spericolato Indiana Jones ne I predatori dell'Arca Perduta. Successivamente, la Allen si cimenta nella giovane vedova che corre in aiuto di Jeff Bridges in Starman, nonché la rassegnata fidanzatina di un cinico Bill Murray in S.O.S. fantasmi.
Nel 1988 convola a nozze con il collega Kale Browne dal quale avrà un figlio, Nicholas: il matrimonio non durerà nemmeno un decennio. Alle soglie del nuovo millennio eccola, al fianco di George Clooney, ne La tempesta perfetta ma anche nel cast del drammatico In the Bedroom. Nel 2008, la stella torna a far battere il cuore di Harrison "Indy" Ford nel fantasmagorico Indiana Jones e il regno del teschio di cristallo.