Après s'être produite dans de nombreux spectacles durant sa scolarité, Alison Lohman tente sa chance en tant que comédienne en s'installant à Los Angeles à la fin des années 90. Elle multiplie alors les apparitions dans des productions mineures comme le film de science-fiction Kraa ! the Sea Monster (1998) ou les comédies familiales The Million Dollar Kid (2000) et Delivering Milo (2001), avant de décrocher le rôle d'Astrid, la fille de Michelle Pfeiffer, dans le drame Laurier blanc (2002), adaptation d'un roman homonyme de Janet Fitch.

Mais c'est sa prestation remarquable d'une gamine de 14 ans - alors qu'elle est en réalité âgée de... 24 ans - formée aux joies de l'arnaque par Nicolas Cage et Sam Rockwell dans Les Associés (2003), qui lui apporte la consécration. Séduits par son joli minois, Tim Burton, puis Atom Egoyan, l'engagent respectivement sur les tournages de Big Fish en 2004 et La Vérité nue en 2005. Sa carrière de comédienne oscille ensuite entre productions de grands studios comme Flicka (2006) ou Beowulf (2007), et oeuvres indépendantes et intimistes comme Delirious (2007) de Tom DiCillo et Nos souvenirs brûlés (2008) de Susanne Bier.

En 2009, la belle fait un retour remarqué sur le devant de la scène cinématographique en jouant l'héroïne du film d'horreur de Sam Raimi, Jusqu'en enfer.