Отец — инженер, а впоследствии страховой агент, мать — служащая в той же компании. Отец отличался психической неустойчивостью, Карин воспитывалась матерью. В 1909 семья переехала в Стокгольм. Карин училась в Уппсальском университете в 1921—1926, в 1922 вышел первый сборник ее стихов «Облака». В двадцатые годы входила в социалистическую группу «Кларте». Перевела роман Т.Манна «Волшебная гора» (1929). В 1931 стала одним из основателей поэтического журнала «Спектр», переводила Т. С.Элиота, пропагандировала сюрреализм.
В 1930 посетила СССР, в 1932—1933 жила в Берлине, после чего написала роман-антиутопию «Каллокаин» (1940), ставшую её наиболее известным произведением, многократно переизданным и переведенным на многие языки, по нему снят телесериал.
Несколько романов с мужчинами не принесли ей счастья. В 1941 году в жизни Карин образовался любовный треугольник: Карин жила одним домом с немецкой эмигранткой Марго Ханель, но при этом она была влюблена в другую женщину - Аниту Натхорст, умиравшую от рака и предлагавшую Карин лишь дружбу. Душевные муки заставили Карин покинуть дом и уйти в лес, где, согласно региональным архивам г. Гётеборга, она была найдена мёртвой около большого камня на холме, севернее города Алингсос (Швеция). Принято считать, что она покончила с собой: при ней был обнаружен пузырёк снотворного. Через месяц после трагедии покончила с собой и Марго Ханель, а еще три месяца спустя скончалась Анита Натхорст.
Карин Бойе:
Оказала глубокое влияние на скандинавскую поэзию. Стихи ее памяти посвятили Ингер Хагеруп, Харри Мартинсон, Яльмар Гулльберг. В 1983 в Швеции создано Общество Карин Бойе. В 2004 ее именем названа библиотека Уппсальского университета.