Joan Allen est née le 20 août 1956 à Rochelle, dans l'Illinois. Dans une famille composée de Dorothy Allen (née Wirth), femme au foyer, et de Jeff Allen, mécanicien automobile, elle était la plus jeune de quatre enfants.

Elle a fréquenté le lycée de Rochelle, où elle était une excellente élève, chantait dans la chorale et jouait du violoncelle. Elle a ensuite étudié à l'université Western Illinois à Macomb, dont elle est diplômée en 1976, puis à l'université Eastern Illinois. En 1977, elle a rejoint la troupe de théâtre « Steppenwolf » et a commencé à jouer sur scène.

L'actrice a commencé sa carrière d'actrice dans la célèbre troupe de Chicago « Steppenwolf Theater Company » sous la direction de John Malkovich. Au début des années 80, elle a commencé à jouer au théâtre, ainsi qu'à tourner dans des séries à petit budget. Son premier rôle au cinéma a été un petit rôle secondaire dans le film « Compromising Positions ».

En 1988, elle est apparue à Broadway dans la pièce de Lanford Wilson « Burn This », pour laquelle elle a reçu un Tony Award. Au cinéma, elle apparaissait assez rarement, et aucun de ses rôles ne l'a rendue célèbre, mais tout a changé en 1995 après le film d'Oliver Stone « Nixon », où Joan a joué la femme du président. Ce rôle a apporté à l'actrice une gloire méritée, elle a été nommée aux Oscars et aux BAFTA.