Karen Sheila Gillan urodziła się 28 listopada 1987 roku w Inverness w Szkocji. W wieku szesnastu lat postanowiła zostać aktorką i zaczęła uczyć się aktorstwa w szkole Telford College w Edynburgu. Później uczęszczała do szkoły teatralnej Italia Conti Academy of Theatre Arts w Londynie.
Jej debiutem w telewizji była rola Terry Cotter w serialu „
Rebus”. W początkach swojej kariery pracowała również jako modelka (na przykład podczas Tygodnia Mody w Londynie w 2007 roku). Następnie Karen pojawiła się w kilkunastu skeczach programu „The Kevin Bishop Show”. Między innymi parodiowała gwiazdy takie jak
Angelina Jolie czy
Julia Roberts.
Później otrzymała rolę w thrillerze „
The Well”, ale dopiero rola w brytyjskim serialu „
Doctor Who” okazała się sukcesem. Po raz pierwszy pojawiła się w odcinku czwartej serii pt. „Ogień z Pompejów”, gdzie wcieliła się w przepowiadaczkę przyszłości. Kiedy z serialu odszedł
David Tennant i nastąpiły duże zmiany w obsadzie, Karen Gillan razem z
Mattem Smithem otrzymali główne role w nowym sezonie. Karen wcieliła się w postać zadziornej Amy Pond, która razem z jedenastym Doktorem (
Smith) wyrusza w podróż swojego życia w niebieskiej budce o nazwie TARDIS. Gillan pojawi się w świątecznym odcinku specjalnym i kolejnej, szóstej serii „
Doctora Who” na wiosnę roku 2011. Stwierdziła jednak, że chciałaby również zadebiutować na deskach teatru, kiedy skończy się jej przygoda w brytyjskim serialu sci-fi.