Karen Sheila Gillan nasceu e cresceu em Inverness, na Escócia, como filha única de Marie Paterson e do marido John Gillan, que é cantor e artista de gravação. Ela desenvolveu um amor por atuar desde muito cedo, frequentando vários grupos de teatro de jovens e participando de uma ampla gama de produções em sua escola, a Charleston Academy.
Aos 16 anos, Karen decidiu continuar sua carreira de atriz e estudou com o renomado diretor de teatro Scott Johnston no Performing Arts Studio Scotland. Mais tarde, ela participou da prestigiada Italia Conti Academy, em Londres. Durante seu primeiro ano, ela conseguiu um papel em Rebus (2000) e logo apareceu em vários programas, incluindo Stacked (2008) e The Kevin Bishop Show (2008), além de um período de dois anos no longa. série em execução Doctor Who (2005). Karen também estrela o filme Outcast (2010), estrelado por James Nesbitt. Seu papel mais recente é Eliza Dooley na comédia de situação Selfie (2014).
