Джоан Аллен родилась 20 августа 1956 года в городе Рошелль штата Иллинойс. В семье домохозяйки Дороти Аллен (в девичестве Вирт) и автомеханика Джефа Аллена она была самой младшей из четырёх детей. Училась в Рошелльской средней школе, где была отличницей, пела в хоре и играла на виолончели. Потом в Иллинойском западном университете в Макомбе, который окончила в 1976 году, а затем в Восточном Иллинойском университете. В 1977 году поступила в театральную компанию «Степной волк» и стала играть на сцене.
Свою актёрскую карьеру актриса начинала в знаменитой чикагской труппе «Steppenwolf Theater Company» под руководством Джона Малковича. В начале 80-х годов она начала играть в театре, а также сниматься в малобюджетных сериалах. Её кинодебютом стала маленькая роль второго плана в фильме «Компрометирующие позы». В 1988 году она появилась на Бродвее в спектакле по пьесе Лэнфорда Уилсона «Сожги это» (англ. Burn This), за что получила премию «Тони». В кино она появлялась достаточно редко, и ни одна из ролей не сделала её звездой, но все изменилось в 1995 году после фильма Оливера Стоуна «Никсон», где Джоан сыграла жену президента. Эта роль принесла актрисе заслуженную славу, она была номинирована на «Оскар» и премию Британской академии кино и телевизионных искусств.
Джоан вызывает уважение у коллег за профессионализм и тщательную подготовку к каждой роли. Так, для того чтобы исполнить роль слепой женщины в фильме «Охотник на людей», Джоан Аллен посетила школу для слепых и несколько дней ходила с завязанными глазами. Брайан Кокс, который снимался вместе с ней в этом фильме, называет её лучшей актрисой, с которой он когда-либо он работал.
Снялась в новом фильме Пола У. С. Андерсона «Смертельная гонка», премьера которого состоялась в 2008 году.
1 января 1990 года она вышла замуж за актёра Питера Фридмана. В марте 1994 года у них родилась дочь. В 2002 году пара рассталась. При этом они поддерживают хорошие отношения, живут недалеко друг от друга, и дочь продолжают воспитывать вместе. У Джоан есть бостон-терьер по кличке Нора.