Nancy Allen se narodila 24. června 1950 v newyorském Bronxu jako americká herečka. Její otec byl policejní poručík a jako dítě navštěvovala taneční kurzy a jeden rok studovala na High School of Performing Arts, kde se připravovala na taneční kariéru. Od 15 let se objevovala v desítkách televizních reklam a svůj filmový debut absolvovala ve filmu The Last Detail (1973) po boku Jacka Nicholsona.
Spolupráce s Brianem De Palmou
Nancy Allen získala svou první významnou roli jako Chris Hargensen ve filmu Carrie (1976) režiséra Briana De Palmy. Proslavila se díky svým výkonům v několika filmech režírovaných Brianem De Palmou v 70. a na počátku 80. let. V roce 1979 si vzala De Palmu a v následujících letech se objevila pouze v De Palmových filmech: Home Movies (1979), Dressed to Kill (1980) a Blow Out (1981) s Johnem Travoltou. Její ztvárnění prostitutky, která je svědkem vraždy ve filmu Dressed to Kill (1980), jí vyneslo nominaci na Zlatý glóbus za Novou hvězdu roku. Poté se objevila v De Palmově neo-noir filmu Blow Out (1981), kde hrála ženu zapojenou do atentátu.
Vědeckofantastické filmy a RoboCop
Nancy Allen a De Palma se rozvedli v roce 1984. Allen se objevila ve vědeckofantastických filmech Strange Invaders (1983) a The Philadelphia Experiment (1984). Allen hrála policejní důstojnici Anne Lewis ve vědeckofantastickém akčním klasickém filmu RoboCop (1987), který byl hollywoodským debutem nizozemského režiséra Paula Verhoevena a měl velký úspěch v kinech. Allen zopakovala svou roli důstojnice Lewis v RoboCop 2 (1990) a aby byla její postava tvrdší a více zapojená do fyzické akce, studovala bojová umění a absolvovala policejní výcvik. Vrátila se znovu v RoboCop 3 (1993), ačkoli její kolega Peter Weller tentokrát ne.
Pozdější kariéra a aktivismus
Po úspěchu RoboCop Allen hrála v Poltergeist III (1988) jako Patricia Wilson-Gardner. Později se objevila v různých filmech: Dusting Cliff 7 (1997), Secret of the Andes (1998), Circuit (2001) a měla hostující roli ve filmu Stevena Soderbergha Out of Sight (1998). Její posledním vystoupením byla televizní série Law & Order: Special Victims Unit (1999) v epizodě „Escape" vysílané 2. prosince 2003. Allen ukončila hereckou kariéru v roce 2008 a zapojila se do podpory boje proti rakovině poté, co její přítelkyně Wendie Jo Sperber zemřela na rakovinu prsu. V roce 2010 byla jmenována výkonnou ředitelkou weSPARK Cancer Support Center v Los Angeles, které založila Sperber.