Karen Sheila Gillan nació el 28 de noviembre de 1987, en Inverness, Highland, Escocia. Hija del cantante Raymond Gillan y Marie Gillan, Karen mostró interés y habilidades por el arte desde muy pequeña. Aprendió a tocar el piano a los 7 años, al tiempo que sintió fascinación por la actuación, por lo que, con frecuencia, se unía a diversos grupos de teatro escolares, participando en todas las obras que podía, sin descuidar sus estudios.
A los 16 años, decide perseguir la carrera de actuación, por lo que asiste a la Universidad de Telford, para estudiar drama. Tiempo después, Karen comenzó a estudiar en la prestigiosa academia de artes, Italia Conti, en Londres. Durante sus años en la academia, Karen acepto la oferta de una agencia de modelos, trabajando en diversas campañas y desfiles para diferentes diseñadores. Poco después, Karen obtuvo su primera oportunidad actoral, debutando en la televisión británica, en la serie Rebus (2006). Después de algunas breves participaciones, la actriz aparece en la popular serie The Kevin Bishop Show (2008) El mismo año participo en la serie de la BBC, The Well (2008)
Pero su gran oportunidad vino al integrarse al elenco de la legendaria serie Doctor Who, en el papel de Amy Pond, compañera del undécimo doctor, a lo largo de 36 episodios. A partir de ahí, todas las puertas se abrieron, convirtiendo a Karen en una de las actrices jóvenes más cotizadas en la actualidad.
Karen ha aparecido en importantes proyectos televisivos y cinematográficos, entre los que destacan Oculus (2013, Guardianes de la galaxia (2014), Selfie (2014), La gran apuesta (2015), Robot Chicken (2015), El circulo (2017), Guardianes de la galaxia Vol. 2 (2017), Jumanji: Bienvenidos a la jungla (2017) y próximamente aparecerá en la cinta Avengers: Infinity War (2018)