Аллен родилась в городе Карролтон штата Иллинойс в семье учительницы Рут Патриши Хоуэлл и агента ФБР Кэрролла Томпсона Аллена. Она провела первые 10 лет своей жизни, путешествуя по стране вместе со своими родителями и двумя сёстрами. После окончания школы DuVal Senior High School в Мэриленде будущая актриса переехала в Нью-Йорк, где изучала искусство и дизайн в Fashion Institute of Technology. Впоследствии она также посещала Мэрилендский университет и проводила время, путешествуя по Южной и Центральной Америке. В 1974 году Аллен присоединилась к театральной группе, а через три года вновь вернулась в Нью-Йорк, чтобы начать занятия в Театральном институте Ли Страсберга.
В 1982 году состоялся дебют Аллен на Бродвее в пьесе Уильяма Гибсона «Понедельник после чуда». После нескольких ролей в небольших фильмах в 1984 году она снялась в одной из главных ролей в научно-фантастическом фильме «Человек со звезды» с Джеффом Бриджесом. За роль Дженни Хейден, вновь повстречавшейся со своим погибшим мужем, Аллен получила номинацию на «Сатурн».
В середине 1990-х вместе с Кристофером Уокеном и Бёрджессом Мередитом снялась в компьютерной видеоигре «Ripper» компании Take-2. На тот момент это был один из самых дорогих компьютерных квестов с большим количеством полноэкранного видео и заглавной композицией от группы «Blue Öyster Cult».
В 1989 году Аллен вышла замуж за американского актёра Кейла Брауни, вместе с которым играла в телефильме «Челленджер». В 1990 году у пары родился сын Николас, а в 1998 Аллен и Брауни развелись.
После рождения сына актриса была сосредоточена в основном на его воспитании и появлялась на экране лишь в небольших ролях.
Увлечение вязанием послужило причиной для основания в 2003 году текстильной компании Karen Allen Fiber Arts в штате Массачусетс.