Karen Gillan a été choisie pour son premier rôle à la télévision dans Rebus alors qu'elle étudiait encore à l'Italia Conti, et depuis lors elle a eu des rôles dans The Kevin Bishop Show, Stacked sur Channel 4 et le film de Outcast. Elle a également eu une carrière de mannequin, par exemple lors de la Fashion Week de Londres en 2007 pour le défilé automne/hiver de la créatrice Allegra Hicks.
Elle apparaît dans un épisode de la saison 4 de la série Doctor Who intitulé La Chute de Pompéi, où elle incarne une pythonisse. Le 29 mai 2009, la BBC annonce que Karen Gillan jouera le rôle d'Amy Pond adulte, compagnon du onzième docteur (interprété par Matt Smith) à partir de la 5e saison. Caitlin Blackwood, la cousine de Karen Gillan joue aussi le rôle d'Amy Pond mais enfant. Elle finira son rôle dans le 5e épisode de la saison 7 intitulé Les Anges prennent Manhattan , diffusé le 29 septembre 2012.
En 2013, elle est retenue pour le rôle de Nébula dans Les Gardiens de la Galaxie. Elle fait également une apparition dans l'épisode de Noël de la série Doctor Who : L'Heure du Docteur où le Docteur s'imagine la revoir (elle est envoyée dans une période temporelle instable que le Docteur ne peut pas rejoindre sous peine de créer un paradoxe de trop qui détruirait New York dans l’épisode Les Anges prennent Manhattan) une dernière fois avant sa régénération, car c'est le « premier visage qu'il a vu » lors de sa régénération précédente (Le Prisonnier zéro).
En 2014, elle est le personnage principal de la série américaine Selfie pour la chaine ABC. Elle interprète Eliza Dooley, une jeune fille narcissique et superficielle obsédée par son statut de célébrité sur les réseaux sociaux, qui demande l'aide d'un expert en marketing pour l'aider à redorer son image dans le monde réel. La série ne durera qu'une seule saison de treize épisodes, faute d’audience.
En 2015, elle apparaît au cinéma dans le film The Big Short : Le Casse du siècle. L'année suivante c'est dans le western In a Valley of Violence de Ti West qu'on peut la revoir.
En 2017, on la retrouve dans Les Gardiens de la Galaxie Vol. 2, ainsi qu'aux côtés d'Emma Watson et Tom Hanks dans The Circle de James Ponsoldt. Elle est également au casting de la suite de Jumanji : Jumanji : Bienvenue dans la jungle.
En 2018, elle retrouve le rôle de Nébula dans Avengers : Infinity War ainsi que dans Avengers: Endgame en 2019.
By Posted on