Karen Anne Carpenter sinh tại New Heaven, Connecticut, là con gái của Agnes Reuwer (nhũ danh Tatum) (5 tháng 3 năm 1915 – 10 tháng 11 năm 1996) và Harold Bertram Carpenter (8 tháng 11 năm 1908 – 15 tháng 10 năm 1988).[11] Khi còn nhỏ, cô thích chơi bóng chày với những đứa trẻ khác trên phố. Trên chương trình This Is Your Life, Carpenter khẳng định mình thích chơi ném bóng[12] và gia nhập đội bóng chày của anh em nhà Carpenters trong những năm đầu thập niên 1970. Người anh trai Richard đã giúp cô phát triển sở thích âm nhạc lúc còn nhỏ, trở thành một thần đồng piano. Gia đình họ chuyến đến Downey ở ngoại ô Los Angeles vào tháng 6 năm 1963.

Khi Carpenter theo học tại Trường phổ thông Downey, cô gia nhập ban nhạc nhà trường. Bruce Gifford, người từng dạy anh trai của cô, đã hướng dẫn cô chơi đàn chuông, một nhạc cụ mà cô không thích. Sau khi yêu thích màn biểu diễn của một người bạn tên là Frankie Chavez, cô yêu cầu được chơi trống thay vì đàn chuông. Cô và Richard thực hiện bản ghi âm đầu tiên của họ vào năm 1965 và 1966. Một năm sau, Karen bắt đầu ăn kiêng. Dưới sự hướng dẫn của bác sĩ, Karen thực hiện chế độ ăn Stillman, bỏ qua các loại thực phẩm không bổ, uống 8 ly nước mỗi ngày và tránh các loại thực phẩm béo. Cân nặng của cô giảm từ 145 pound (66 kg) xuống còn 120 pound (54 kg), cho đến khi sự nghiệp của cô đạt đỉnh cao vào năm 1973. Tính đến tháng 9 năm 1975, cô nặng 91 pound (41 kg).[13]