Karen Sheila Gillan, Marie Paterson ile şarkıcı ve kayıt sanatçısı olan eşi John Gillan'ın tek çocuğu olarak İskoçya'nın Inverness kentinde doğdu ve büyüdü. Çok erken yaşlarda oyunculuğa karşı bir sevgi geliştirdi, çeşitli gençlik tiyatro gruplarına katıldı ve okulu Charleston Academy'de çok çeşitli yapımlarda yer aldı. 16 yaşındayken Karen oyunculuk kariyerini daha da ileriye götürmek istediğine karar verdi ve Performing Arts Studio Scotland'da ünlü tiyatro yönetmeni Scott Johnston ile çalıştı. Daha sonra Londra'daki prestijli Italia Conti Akademisi'ne katıldı. İlk yılında Rebus (2000) dizisinde bir rol aldı ve kısa süre sonra Channel 4's Stacked (2008) ve The Kevin Bishop Show (2008) gibi çeşitli programların yanı sıra uzun soluklu Doctor Who (2005) dizisinde iki yıl boyunca yer aldı. Karen ayrıca başrolünde James Nesbitt'in oynadığı Outcast (2010) filminde de rol almıştır. En son başrolünü oynadığı durum komedisi Özçekim'deki (2014) Eliza Dooley rolüdür.