Nata e cresciuta a Inverness, in Scozia[1], in giovane età comincia ad amare la recitazione, unendosi a diversi gruppi teatrali locali e prendendo parte a numerose produzioni della sua scuola, la Charleston Academy. A sedici anni decide di seguire il suo interesse per la recitazione, studiando all'Edinburgh's Telford College. Successivamente, ottiene un posto alla Italia Conti Academy of Theatre Arts di Londra[2]. A diciotto anni si trasferisce a Londra per studiare in una scuola di teatro[3].
Prima di diventare attrice, Karen Gillan fa la modella per un'agenzia[4]. Partecipa alla London Fashion Week del 2007 per Allegra Hicks[5] e al party di lancio della nuova linea di cosmetici di Nicola Roberts. I suoi primi ruoli come attrice sono come guest star in diverse serie televisive; il suo primo ruolo duraturo è nella serie di sketch comedy The Kevin Bishop Show, dove interpreta più personaggi, tra i quali anche celebrità come Katy Perry e Angelina Jolie. Appare nel film per la televisione di Channel 4Stacked nel ruolo di Ginny e come protagonista nel progetto horror The Well, trasmesso come serie di film episodici su BBC Two[6].
A maggio 2009 ottiene il ruolo di Amy Pond, la compagna del Dottore nella quinta stagione della serie britannica Doctor Who, dopo essere già apparsa nella serie in un ruolo minore in un episodio della quarta stagione. La sua prima apparizione nel ruolo è nell'episodio L'undicesima ora del 3 aprile 2010[7][8][9] e viene confermata anche nella stagione successiva.
Ad agosto 2011 viene annunciata la sua partecipazione alla commedia indie Not Another Happy Ending con Emun Elliott[10], le cui riprese cominciano a luglio 2012[10]. Durante un'intervista al San Diego Comic-Con International del 2011, Gillan conferma la sua partecipazione anche alla settima stagione di Doctor Who[11], che a dicembre viene annunciato sarà l'ultima in cui il suo personaggio comparirà[12].
Ha affermato che, sebbene la sua famiglia sia cattolica, non è stata battezzata e non è religiosa, ma concorda con l'affermazione che "siamo solo minuscoli punti nella vasta vacuità cosmica dell'universo"[21].
Nel maggio 2022, Gillan ha sposato Nick Kocher, un comico americano del duo di sketch BriTANicK, in una cerimonia al Castle Toward, a Dunoon, in Scozia
Attrice
Cinema
New Town Killers, regia di Richard Jobson (2008)
Outcast, regia di Colm McCarthy (2010)
Not Another Happy Ending, regia di John McKay (2012)
Nelle versioni in italiano delle opere in cui ha recitato, Karen Gillan è stata doppiata da:
Francesca Manicone in Doctor Who, Oculus - Il riflesso del male, Guardiani della Galassia, Selfie, La grande scommessa, Nella valle della violenza, Guardiani della Galassia Vol. 2, The Circle, Avengers: Infinity War, Avengers: Endgame, Il richiamo della foresta, Gunpowder Milkshake, Nella bolla, Thor: Love and Thunder, Guardiani della Galassia Holiday Special, Guardiani della Galassia Vol. 3, Dual - Il clone