Karen Black, née Karen Blanche Ziegler, a vu le jour dans une banlieue de Chicago. Issue d'une famille juive, elle est la fille d'Elsie Mary (née Reif), auteure primée de romans pour enfants, et de Norman Arthur Ziegler. Son grand père paternel, Arthur Ziegler, est le premier violoniste classique à intégrer l'orchestre symphonique de Chicago. Sa soeur, Gail Brown, est également actrice.

A quinze ans, en 1954, Karen Black intègre la Northwestern University d'Evanston en Illinois, où elle poursuit ses études pendant deux ans. Elle part ensuite s'installer à New-York où elle s'illustre dans plusieurs productions Off-Broadway, parallèlement à ses activités de catcheuse. Elle prend des cours d'art dramatique et de comédie sous la direction du célèbre professeur de l'Actors' Studio, Lee Strasberg.

C'est en 1959 que la carrière de Karen Black démarre réellement, avec un petit rôle qu'elle obtient dans The Prime Time de Herschell Gordon Lewis. Malheureusement, le film ne rencontre pas le succès escompté et l'actrice retourne au théâtre pendant six ans. En 1965, sa performance dans "The Playroom" sur les planches de Broadway lui vaut d'être acclamée par la critique. Un an plus tard, elle tourne enfin au cinéma, dans Big boy, sous la direction de Francis Ford Coppola.

Sa renommée naissante lui permet alors de se faire une place dans le milieu ; en 1967, elle obtient un rôle dans une série télévisée qui la fait connaître du grand public. Après des débuts difficiles, en 1969, c'est la consécration pour l'actrice qui devient une star grâce à son rôle dans Easy Rider, film culte ultra rentable et annonciateur du Nouvel Hollywood. L'année suivante, elle obtient un Golden Globe et est nominée aux Oscars pour son rôle dans Cinq pièces faciles où elle incarne la petite amie serveuse de Jack Nicholson.

Karen Black travaille ensuite avec les plus grands, aux côtés de Robert Redford dans Gatsby le magnifique en 1974, film pour lequel elle est récompensée d'un second Golden Globe, mais aussi avec Bette Davis dans Burnt Offerings ou encore Christopher Plummer dans La Lunule, un thriller dont elle signe et interprète le thème principal. Elle fait par ailleurs carrière à la télévision, puisqu'en 1975, elle endosse plusieurs rôles dans un film d'horreur en trois parties, Trilogy of Terror (TV). On la retient surtout pour son personnage de femme terrorisée par une poupée meurtrière.

Black collabore également avec des réalisateurs de renom, comme Robert Altman dans Nashville en 1975, film dont elle compose et interprète deux chansons, ce qui lui vaut une nomination aux Grammy Awards. Mais l'un de ses rôles les plus célèbres reste celui de la voleuse de bijoux dans Complot de famille en 1976, dernier film d'Alfred Hitchcock. Elle continue ensuite d'apparaître dans des films plutôt ambitieux jusqu'à la fin des années 1970, mais sa carrière décline au gré de l'effritement des constantes définissant le cinéma du Nouvel Hollywood : moins demandée, elle décide alors de se tourner vers des productions plus légères pour poursuivre son métier d'actrice.

Depuis, la comédienne n'a jamais cessé d'exercer, mais les films dans lesquels elle s'illustre ne jouissent pas d'un grand prestige, hormis Reviens Jimmy Dean, reviens, en 1982, qui a obtenu de bonnes critiques. Comme les années 1980, les années 1990 et 2000 sont très denses par rapport au nombre de films où elle s'affiche, mais le succès (commercial ou critique) n'est toujours pas au rendez-vous.

Elle campe néanmoins l'un des rôles centraux de La Maison des 1000 morts en 2003, film d'horreur assez bien reçu par les fans du genre et mis en scène par le très prometteur Rob Zombie. En 2010, on peut la voir dans Some Guy Who Kills People, un thriller produit par John Landis (réalisateur du Flic de Beverly Hills 3). En amont, Karen Black continue ses activités de chanteuse, en effectuant notamment une participation vocale sur le morceau "Dreams-Come-True-Girl" tiré de l'album de Cass McCombs intitulé Catacombs. Au même titre que les stars hollywoodiennes Tom Cruise et Will Smith, cette artiste aux talents variés est un membre actif de l'Eglise de Scientologie.