Karen Allen se découvre une passion pour la comédie assez tardivement, à l'âge de 20 ans. Elle s'inscrit alors à l'Actor Studio, en en 1976 elle fait ses débuts à l'écran, dans un court-métrage (The Whidjitmaker). En 1978, après avoir été recalée pour le rôle de la princesse Leia pour Star Wars, elle fait ses premiers pas dans un long-métrage avec l'American College de John Landis. Elle tient ensuite un petit rôle dans Manhattan, de Woody Allen, avant d'obtenir un véritable rôle d'importance dans la Chasse de William Friedkin. L'année suivante, elle obtient la consécration grâce à son rôle dans Les Aventuriers de l'arche perdue de Steven Spielberg. Elle remportera un Saturn Award pour sa performance dans le film.
On la retrouve ensuite dans des films comme Starman de John Carpenter ou bien encore Fantômes en fête de Richard Donner.
Malgré de nombreux succès, elle préfère se faire plus rare au cinéma pour se consacrer au théâtre. Cela ne l'empêchera pas de tourner dans plusieurs films, dont certains connaîtront un succès notable, et ce même si la majorité des films dans lesquels elle joue sont plutôt mal reçus par le public.
En 2004, elle se retire du monde du cinéma pour monter sa société de stylisme, avant d'être rappelée par Steven Spielberg pour Indiana Jones et le Royaume du Crâne de Cristal.
 
Au début des années 80, elle est classée parmi les plus belles femmes de son temps.