Karen Sheila Gillan sinh ra ở Inverness, Scotland.[6] Cha mẹ cô là ông Raymond và bà Marie Gillan.[7] Mặc dù gia đình gốc Công giáo, cô cho biết mình không rửa tội, và cũng không tham gia các hoạt động tôn giáo.[8]

Năm 16 tuổi, Karen chuyển tới sống ở Edinburgh và theo học một khóa diễn xuất ở Đại học Telford.[9] Hai năm sau, khi được 18 tuổi, cô chuyển tới London học tại Học viện Sân khấu Italia Conti.[10][11] Cũng trong thời gian này, cô đi làm người mẫu.[12] Năm 2007, cô từng diễn tại Tuần lễ Thời trang London.[13]