Fille unique, Karen Gillan, Kaz de son surnom, naît en Ecosse où elle développe très tôt un amour du jeu d'acteur. Elle participe à plusieurs groupes et production de théâtres durant ses études à la Charleston Academy. C'est à 16 ans qu'elle décide de définitivement s'orienter vers une carrière d'actrice, intégrant le Telford College d'Edimbourg. Elle travaille sous la direction du metteur en scène renommé Scott Johnston avant d'entrer à la prestigieuse Italia Conti Academy à Londres.

Elle est encore en première année lorsqu'elle obtient son premier rôle dans la série télé Rebus. Karen se fait également mannequin bien que cette carrière parallèle soit très largement mineure à ses volontés d'actrice. Elle participe jusqu'à la fin de ses études à plusieurs épisodes de diverses séries avant de faire partie de l'émission comique à sketches "The Kevin Bishop Show" dans laquelle elle incarne plusieurs personnages, tels Angelina Jolie et Katy Perry. Entre-temps, elle apparaît dans son premier long-métrage, New Town Killers (2008) de Richard Jobson. 

Mais c'est à partir de 2010 que sa carrière décolle lorsqu'elle obtient le rôle d'Amy Pond dans Doctor Who (onzième docteur, Matt Smith). Elle était auparavant déjà apparue dans un épisode en 2008, "Les Feux de Pompéi" où elle incarnait une voyante. L'actrice joue dans la célèbre série jusqu'en 2013 et reprend parallèlement son personnage dans la mini-série spin-off Pond Life (2012). Elle retourne au cinéma en 2013 dans la comédie de John McKay, Not Another Happy Ending, où elle tient le premier rôle, celui d'un auteur à succès incapable d'écrire lorsqu'il est heureux.

Multipliant les expériences, l'Ecossaise apparaît cette même année dans Oculus, où elle joue aux côtés d'un autre acteur de sa génération, à la popularité montante, Brenton Thwaites.

Karen Gillan retourne à des rôles télévisuels avec les séries comiques NTSF:SD:SUV et surtout Selfie, dont elle est l'héroïne. La reconnaissance cinématographique arrive en 2014 avec Les Gardiens de la Galaxie de James Gunn. Elle y incarne l'alien Nebula, rôle pour lequel l'actrice accepte de se raser entièrement le crâne et qu'elle reprend pour les besoins des Gardiens de la Galaxie 2, Avengers: Infinity War, Avengers: Endgame, Marvel's What If...?, Thor: Love And Thunder et Les Gardiens de la Galaxie 3.

Parallèlement à la franchise du MCU, la comédienne rejoint Dwayne Johnson dans les lucratifs Jumanji : Bienvenue dans la jungle (2017) et Jumanji: Next Level (2019). Elle joue également dans The Big Short : Le casse du siècle (2015), In a Valley of Violence (2017), The Circle (id.), All Creatures Here Below (2018), Stuber (2019) ou encore L'Appel de la forêt (2020).