Née le 24 juin 1950 à New York, Nancy Allen est la fille d’un policier. D’abord mannequin enfant pour des publicités puis danseuse, elle se dirige ensuite vers la comédie. Après une brève apparition auprès de Jack Nicholson dans La dernière corvée, Nancy Allen devient une vedette à part entière en tournant sous la direction de son mari, Brian de Palma dont elle divorce en 1984. C’est d’abord à l’occasion de Carrie dont le rôle principal lui échappe pourtant au profit de Sissi Spacek, puis dans la comédie Home movies et les thrillers Pulsions et Blow Out où le cinéaste rend un vibrant hommage à sa beauté. Par ailleurs héroïne de 1941 de Steven Spielberg et de Crazy day de Robert Zemeckis, elle tient également le rôle de la femme flic Anne Lewis dans la trilogie RoboCop.
Très sollicitée dans le registre du fantastique et de la science-fiction, Nancy Allen anime également Les envahisseurs sont parmi nous, Poltergeist 3, Children of the corn 666… Elle est récemment apparue dans Les patriotes d’Eric Rochant, Hors d’atteinte de Steven Soderbergh et Le secret des Andes.