Actrice américaine, Karen Allen se découvre une passion pour la comédie et le théâtre vers l’âge de 20 ans. Elle s’inscrit alors à l’Actors Studio, puis au Lee Strasberg Institute pour y apprendre son métier. En 1978, elle obtient un premier rôle dans American College (Landis) qui lui ouvre les portes d’Hollywood. On peut la voir alors dans Manhattan (Allen, 1979), Les seigneurs (Kaufman, 1979) et Cruising – la chasse (Friedkin, 1980).
Elle connaît la célébrité grâce à sa prestation dans Les aventuriers de l’arche perdue (Spielberg, 1981) à côté d’Harrison Ford. Après L’usure du temps (Parker, 1982), elle choisit de retourner sur scène à Broadway. Elle revient sur les grands écrans avec French Lover (Marquand, 1984) et surtout Starman (Carpenter, 1984) qui est un échec commercial. Elle revient alors sur les planches durant trois ans.
On retrouve Karen Allen dans Terminus (Glenn, 1987) avec Johnny Hallyday et La ménagerie de verre (Newman, 1987). Elle tente un retour plus commercial avec Fantômes en fête (Donner, 1988), mais là encore le succès n’est guère au rendez-vous. Dès lors, elle délaisse progressivement le grand écran et privilégie le petit. Au cinéma, elle joue des rôles secondaires dans Malcolm X (Spike Lee, 1992), King of the Hill (Soderbergh, 1993), En pleine tempête (Petersen, 2000).
En 2004, elle décide de s’éloigner des plateaux de cinéma, mais est rappelée par Steven Spielberg qui lui propose de se joindre au casting d’Indiana Jones et le royaume du crâne de cristal (2008), ce qu’elle accepte. Depuis, elle tourne régulièrement des petits films indépendants, malheureusement invisibles chez nous, ainsi que des téléfilms.