Allen ha iniziato la sua carriera di attrice insieme alla Washington Theatre Laboratory Company, a Washington, D.C. nel 1974. Due anni dopo, ha esordito nel premiato cortometraggio The Whidjitmaker. L’anno seguente Allen si è trasferita a New York per studiare presso il Lee Strasberg Institute e, nel corso degli anni, è apparsa in produzioni on e off-Broadway: Extremities, The Country Girl, The Miracle Worker, Speaking in Tongues e Miss Julie.
Nel 1978 ha esordito nel cinema con il ruolo di Katy in National Lampoon's Animal House (Animal House), che fu uno dei grandi successi di quell’anno. Ha quindi recitato in The Wanderers (I nuovi guerrieri) di Philip Kaufman (1979), Cruising (1980) e Manhattan di Woody Allen (1979) prima della performance nel dramma di Rob Cohen, A Small Circle of Friends (1980) che catturò l’attenzione di George Lucas e Steven Spielberg, che la vollero nel ruolo di Marion Ravenwood, l’esuberante proprietaria di un bar in Raiders of the Lost Ark (I predatori dell’arca perduta). Nel 1982 ha esordito a Broadway con The Monday After the Miracle, che le ha meritato il Theatre World Award come Best New Actress. Nel 1984, Allen è stata la protagonista di Until September e di Starman di John Carpenter, al fianco di Jeff Bridges.
Allen ha vinto il Saturn Award della Academy of Science Fiction, Fantasy and Horror Films come Migliore Attrice, nel 1982, per I predatori dell’arca perduta e nel 1985 è stata protagonista agli Independent Spirit Awards e come Migliore Attrice Straniera in Spagna ai Sant Jordi Awards di Barcellona, per la sua performance nel film di Paul Newman, The Glass Menagerie (Zoo di vetro).
Recenti film della Allen comprendono: The Basket (1999) e The Perfect Storm (La tempesta perfetta, 2000) di Wolfgang Petersen, in cui ha recitato al fianco di George Clooney, Mark Wahlberg e Diane Lane. E’ inoltre apparsa in Shaka Zulu: The Citadel (2001) per la televisione e nel dramma
di Todd Field In the Bedroom.
Il suo film più recente, Poster Boy, è stato presentato al Tribeca Film Festival 2004.
Allen, che ha un figlio, Nick, nato nel 1990, insegna e dirige al Simon’s Rock College di Bard. Ha inoltre fondato il Berkshire Mountain Yoga, creato un laboratorio di maglieria nel 2003, il Karen Allen – Fiber Arts Studio e, nel 2005, ha inaugurato un negozio a Great Barrington, nel Massachussetts, la Karen Allen Fiber Arts.