Nancy Anne Allen nasceu e foi criada no bairro do Bronx, na cidade de Nova York, a mais nova de três irmãos. Seu pai, Eugene Allen, era tenente da polícia de Nova York. Ainda jovem, ela treinou para uma carreira de dança na High School of Performing Arts, e depois frequentou a Escola de Jovens Profissionais de José Quintano. Em dezenas de comerciais de televisão desde os 15 anos de idade, Nancy fez sua primeira aparição no cinema em O Último Detalhe (1973) com Jack Nicholson. Três anos depois, ela forneceu o padrão para todas as futuras adolescentes deusa vadia como Chris Hargensen em Carrie de Stephen King (1976), levado para o cinema pelo diretor Brian De Palma. Nancy então se casou com De Palma em 1979. Ela apareceu em seguida em I Wanna Hold Your Hand (1978), de Steven Spielberg; nos anos seguintes, ela apareceu apenas nos filmes de De Palma: Home Movies (1979), Dressed to Kill (1980), e ela estrelou com John Travolta em Blow Out (1981).
Após seu divórcio de De Palma em 1984, as oportunidades de Nancy no cinema foram supostamente reduzidas, mas ela surpreendeu o mundo inteiro quando atuou como a oficial Anne Lewis no filme de ficção científica RoboCop (1987), junto com Peter Weller. Aqui, ela forneceu outro padrão como uma policial dura, mas ao mesmo tempo feminina, cujo sexo não interferia em suas ações. Após o sucesso de Robocop (1987), ela atuou como Patricia Gardner na segunda seqüência Poltergeist III (1988). Ela voltou em RoboCop 2 (1990) e para se envolver mais com sua personagem, Nancy aprendeu artes marciais e treinamento policial de verdade. Ela voltou novamente em RoboCop 3 (1993), embora seu co-star Peter Weller não o tenha feito desta vez. Em 1993, Nancy juntou-se a várias outras estrelas veteranas em Acting on Impulse (1993) e casou-se com a co-estrela Craig Shoemaker, no mesmo ano. Alguns anos depois, ela se divorciou de Craig e algum tempo depois de se casar novamente.
Posteriormente, ela apareceu em diversos filmes: Dusting Cliff 7 (1997), Secret of the Andes (1998), Circuit (2001), e teve uma participação especial em Out of Sight (1998), de Steven Soderbergh. Sua última atuação foi na série de televisão Law & Order: Special Victims Unit (1999), no episódio "Escape", exibido em 2 de dezembro de 2003. Allen apareceu em vários documentários sobre seus filmes mais famosos, incluindo Dressed to Kill (1980), Carrie (1976), Blow Out (1981), Poltergeist III (1988) e a trilogia RoboCop. Ela também apresentou o documentário de terror de Andrew J. Kuehn, Terror in the Aisles (1984), junto com Donald Pleasence.
Interessada em projetar a imagem de uma mulher forte, mas ao mesmo tempo feminina, ela conseguiu fugir dos papéis de vítima que sempre lhe ofereceram, também foi capaz de fugir do estereótipo da mulher bonita mas burra na maioria dos filmes de ação . Ela é uma ambientalista que trocou seu carro Volvo por um carro híbrido para dar o exemplo. Ela também é uma ativista contra o câncer de mama junto com sua amiga atriz Wendie Jo Sperber, que criou a fundação WeSpark. Sua última aparição na televisão foi no Inside E! história de seu co-estrela John Travolta e a A&E Biography of Travolta - ambas aparições em 2004. Hoje em dia, Allen vive uma vida tranquila com sua família e amigos em algum lugar dos Estados Unidos.
