Карен Шейла Гиллан родилась 28 ноября 1987 года в Инвернесс, Шотландия. Гиллан научилась играть на фортепиано в возрасте 7 и любила участвовать в спектаклях.

После участия в спектаклях в местной Чарльзстонской академии, в 2003 году Карен решила продолжить обучатся актерскому мастерству в Эдинбургском колледже и Студии актерского мастерства в Шотландии, у известного театрального режиссера Скотта Джонстона.

В 2005 году Гиллан переехала в Лондон, чтобы изучать актерское мастерство в престижной академии театрального исскуства «Italia Conti».

Из-за высокого роста (1,80 м.) и ярких рыжих волос, прежде чем работать в кино, Карен пригласило на работу одно модельное агентство. Хотя ей очень нравилось дефилировать по подиуму и сниматься в фотосессиях, Гиллан всегда была настроена на развитие своей актерской карьеры.

Карьеру актрисы Карен Гиллан начала с эпизодических ролей, в том числе она два года работала в комедийном скетч шоу Кевина Бишопа и серии короткометражных фильмов ужасов для BBC.

В мае 2009 года Гиллан прошла кастинг на роль Эми Понд в хитовом научно-фантастическом британском телесериале «Доктор Кто». Роль была крупным прорывом в карьере Гиллан.

Первый театральный дебют Карен Гиллан состоялся 16 октября 2011 в «Donmar Warehouse» сыграв роль Ширли в пьесе Джона Осборна «Недопустимое доказательство».

26 января 2012 года Гиллан исполнила роль супермодели Джин Шримптон в телефильме «Мы покорим Манхэттен», который рассказал историю отношений Шримптон и фотографа Дэвида Бейли.

В том же году Гиллан снялась в главной роли в телефильме «Окулус», который был снят в Алабаме и вышел на большие экраны в сентябре 2013 года.

Также в 2013 году с ее участием вышла драма «Не просто счастливый конец», где Карен исполнила роль успешной писательницы Джейн Локхарт.

В 2014 году Карен сыграла роль Небулы в фантастическом фильме «Стражи Галактики», а также начала сниматься в главной роли в сериале «Селфи» (2014–...).