Biographie :
Fille unique, Karen Gillan, surnommée Kaz, est née en Écosse où elle a développé très tôt une passion pour le théâtre. Elle a participé à plusieurs groupes et productions théâtrales pendant ses études à la Charleston Academy. C'est à 16 ans qu'elle décide de s'orienter définitivement vers une carrière d'actrice, en intégrant le Telford College d'Edimbourg. Elle a travaillé sous la direction du célèbre réalisateur Scott Johnston avant d'entrer à la prestigieuse Italia Conti Academy de Londres.
Elle est encore en première année lorsqu'elle obtient son premier rôle dans la série télévisée Rebus. Karen est également mannequin même si cette carrière parallèle est largement mineure par rapport à ses souhaits d'actrice. Elle a participé jusqu'à la fin de ses études à plusieurs épisodes de diverses séries avant de faire partie de l'émission de sketchs comiques 'The Kevin Bishop Show' dans laquelle elle incarnait plusieurs personnages, comme Angelina Jolie et Katy Perry. Parallèlement, elle apparaît dans son premier long métrage, New Town Killers (2008) de Richard Jobson.
Mais c'est à partir de 2010 que sa carrière décolle lorsqu'elle obtient le rôle d'Amy Pond dans Doctor Who (onzième docteur, Matt Smith). Elle était déjà apparue dans un épisode de 2008, « Les Feux de Pompéi », où elle jouait le rôle d'une voyante. L'actrice joue dans la célèbre série jusqu'en 2013 et reprend par la même occasion son personnage dans la mini-série spin-off Pond Life (2012). Elle revient au cinéma en 2013 dans la comédie de John McKay, Not Another Happy Ending, où elle incarne le rôle principal d'un auteur à succès incapable d'écrire quand il est heureux.
Multipliant les expériences, l'Ecossaise apparaît cette même année dans Oculus, où elle joue aux côtés d'un autre acteur de sa génération, à la popularité montante, Brenton Thwaites.
Karen Gillan revient aux rôles télévisuels avec la série comique NTSF:SD:SUV et surtout Selfie, dont elle est l'héroïne. La reconnaissance cinématographique est arrivée en 2014 avec Les Gardiens de la Galaxie de James Gunn. Elle incarne l'extraterrestre Nébuleuse, rôle pour lequel l'actrice accepte de se raser entièrement la tête et qu'elle reprend pour les besoins des Gardiens de la Galaxie 2, Avengers : Infinity War, Avengers : Endgame, Marvel's What If. .?, Thor : Amour Et Tonnerre et Les Gardiens de la Galaxie 3.
Aux côtés de la franchise MCU, l'actrice a rejoint Dwayne Johnson dans les lucratifs Jumanji : Welcome to the Jungle (2017) et Jumanji : Next Level (2019). Elle joue également dans The Big Short : Le casse du siècle (2015), In a Valley of Violence (2017), The Circle (id.), All Creatures Here Below (2018), Stuber (2019) ou encore L'Appel de la forêt (2020).