Etudiante de l'University of Maryland puis à la Lee Strasberg Institute de New York, Karen Allen débute sur le grand écran en 1978 dans American College, comédie signée John Landis. Un an plus tard, elle décroche un petit rôle dans Manhattan de Woody Allen, avant d'apparaître dans Cruising de William Friedkin (1980).

C'est en 1981 et devant la caméra de Steven Spielberg que Karren Allen se révèle au grand public, avec son rôle de Marion, ancienne petite amie d'Indiana Jones dans Les Aventuriers de l'Arche perdue. Nouveau rôle marquant en 1984 avec Starman de John Carpenter, où l'actrice incarne la captive puis amie de l'extra-terrestre Jeff Bridges. Suivent Terminus aux cotés de Johnny Hallyday (1986) et Fantomes en fete de Richard Donner (1988), toujours dans le domaine de la science-fiction plus ou moins sérieuse.

Plus rare sur grand écran dans les années 90 pour cause d'activité théâtrale et de la naissance de son fils, Karen Allen est apparue dans Malcolm X en 1992, puis dans King of the Hill de Steven Soderbergh un an plus tard. En 2000, l'actrice est à l'affiche du blockbuster En pleine tempête, avant de se tourner vers le drame indépendant et multi-récompensé In the bedroom en 2001.