Tim Allen fait ses études à l'université du Michigan lorsqu'il est arrêté le 2 octobre 1978 à l'aéroport de Kalamazoo pour détention d'environ 70 grammes de cocaïne. Pour éviter la prison à vie, il accepte de témoigner contre son complice et ne purgera que 2 ans et 4 mois de peine de prison. Le jeune homme commence sa carrière comme comédien de stand-up dans des petits théâtres et accède à la célébrité dans les années 90, avec la série télévisée Papa bricole, dont il est également scénariste. Titulaire d'un diplôme de production télévisuelle, il fait ses premiers pas au cinéma en 1989 avec un petit rôle dans le drame Tropical snow.

Tim Allen se fait un nom en figurant dans de grosses comédies familiales, notamment Super Noël (1994), dans lequel il incarne un drôle de Père Noël et qui récolte 144 millions de dollars au box-office. Un an plus tard, il participe au triomphe de Toy Story en prêtant sa voix au personnage de Buzz l'Eclair dans la version originale du film. Un "rôle" qu'il reprendra en 1999 dans Toy Story 2. Ses performances dans Un Indien à New York (1997) et Big Trouble (2002) confirment sa popularité auprès du grand public.

La carrière de Tim Allen est parsemée de superlatifs : il est un Super Papa en 2001 et endosse à nouveau, l'année suivante, son costume de Père Noël pour Hyper Noël en 2002 puis pour The Santa Clause 3 : The Escape Clause en 2006. En 2000, ce spécialiste des comédies familiales s'écarte quelque peu de son registre de prédilection pour accompagner Sigourney Weaver et Alan Rickman dans le délirant et parodique Galaxy Quest de Dean Parisot.

En 2004, Tim Allen s'illustre dans Un Noël de folie !, adaptation cinématographique d'un roman atypique de John Grisham. Deux ans plus tard, il confirme son statut d'acteur familial avec Raymond, où il incarne un député se transformant... en chien de berger !

Fidèle à son statut d’acteur comique, Tim Allen le confirme en s’illustrant au casting de Bande de sauvages, une comédie fantaisiste et déjantée, dans laquelle il donne la réplique à John Travolta, Martin Lawrence, Ray Liotta et William H. Macy. Onze ans après Toy Story 2, le comédien retrouve Buzz l'Eclair, à qui il prête de nouveau sa voix dans le dernier volet de ses aventures, Toy Story 3.