Nancy Anne Allen lahir dan besar di Bronx, New York City, sebagai anak termuda dari tiga bersaudara. Ayahnya, Eugene Allen, adalah seorang letnan polisi, sementara Nancy mulai berlatih menari di High School of Performing Arts dan kemudian di Jose Quintano's School for Young Professionals. Pada usia 15 tahun, dia sudah tampil di puluhan iklan televisi dan debut film di The Last Detail (1973) bersama Jack Nicholson.

Peran pentingnya datang saat memerankan Chris Hargensen di film Carrie (1976), yang menjadi standar untuk karakter remaja antagonis perempuan. Pada 1979, Nancy menikah dengan sutradara Brian De Palma. Dia kemudian tampil di film Steven Spielberg, I Wanna Hold Your Hand (1978), dan beberapa film De Palma, seperti Home Movies dan Dressed to Kill.

Setelah bercerai dari De Palma pada 1984, peluang film Nancy sempat berkurang. Namun, ia membuat gebrakan besar dengan perannya sebagai Officer Anne Lewis di film kultus RoboCop (1987). Karakternya sebagai polisi tangguh namun feminin menjadi salah satu ikonik dalam genre sci-fi. Ia kembali di RoboCop 2 (1990) dan RoboCop 3 (1993), belajar bela diri dan pelatihan kepolisian agar semakin mendalam memerankan karakter tersebut.

Di tahun 1993, Nancy bergabung dalam film Acting on Impulse, dan menikah dengan pemeran pendukung Craig Shoemaker. Ia kemudian tampil di berbagai film seperti Dusting Cliff 7 (1997) dan Secret of the Andes (1998), serta tampil tamu di serial Out of Sight (1998). Karir terakhirnya di televisi adalah penampilan di Law & Order: SVU pada 2003, dan tampil di dokumenter serta acara wawancara terkait perannya.

Selain aktif di dunia akting, Nancy adalah seorang aktivis lingkungan yang mempraktikkan penggunaan hybrid car demi pelestarian alam dan mendukung gerakan kesadaran kanker payudara bersama temannya, Wendie Jo Sperber. Kini, ia menjalani hidup tenang bersama keluarga di Amerika dan menjauh dari dunia hiburan aktif.