Już w szkole podstawowej uważany był za klasowego klauna. Jest popularnym aktorem i autorem książkowych bestsellerów. Drzwi do międzynarodowej kariery otworzył mu występ w serialu „Pan Złota Rączka” (Home Improvement, 1991-1999).

Jego ojciec Gerald Dick zginął w wypadku samochodowym w 1964 roku. Matka Martha ponownie wstąpiła w związek małżeński i przeprowadziła się z szóstką własnych dzieci oraz trójką dzieci drugiego męża do Birmingham w stanie Michigan. Tim rozpoczął studia w Central Michigan University, a w 1974 roku przeniósł się do Western Michigan University. W czasie nauki prowadził program w radiu akademickim. W 1976 roku ukończył studia ze specjalizacją w dziedzinie produkcji radiowej i telewizyjnej. Rozpoczął pracę w firmie reklamowej w Detroit. Od 1979 roku wieczorami występował w Comedy Castle, a później także w rozmaitych produkcjach telewizyjnych.

Na dużym ekranie debiutował rolą w dramacie „Tropical Snow” (1989) Ciro Durána. W latach 90. brał udział w wieczorach komediowych w klubach w Los Angeles. Występował w reklamach telewizyjnych i radiowych. Jeden ze spotów przykuł uwagę Jeffreya Katzenberga, jednego z szefów wytwórni Walt Disney Studios. W wyniku spotkania Katzenberga i Allena, jesienią 1991 roku widzowie stacji telewizyjnej ABC obejrzeli pierwszy odcinek serialu „Pan Złota Rączka”. Allen był aktorem, ale od 1996 roku również współproducentem i jednym z reżyserów serialu. Za rolę Tima Taylora, aktor otrzymał m.in. Złoty Glob w 1995 r.

Międzynarodowa widownia poznała go dzięki komedii z wytwórni Disneya pt. „Śnięty Mikołaj” (1994) Johna Pasquina. Tim wcielił się w tym filmie w zapracowanego biznesmena, który musi zastąpić Świętego Mikołaja. Aktor powrócił do roli Scotta Calvina w „Śniętym Mikołaju 2” (2002) Michaela Lembecksa. W disneyowskiej komedii „Z dżungli do dżungli” (1997) Johna Pasquina, poszukiwał wśród Indian swojego syna, o którego istnieniu do tej pory nie wiedział. Jako Brad Saxton odkrywał na nowo uroki własnej żony (Kirstie Alley) w komedii romantycznej „Na dobre i na złe” (1997) Bryana Spicera. Pomagał kosmitom w filmie „Galaxy Quest – Ko(s)miczna załoga” (1999) Deana Parisota. Za tę rolę został uhonorowany Saturn Award, nagrodą przyznawaną przez amerykańską Academy of Science Fiction, Fantasy & Horror Films. W komedii kryminalnej „Paparazzi” (2001) Chrisa Ver Wiela, uciekał przed policjantami oraz płatnymi zabójcami mafii.

W 2001 roku wcielił się w pechowego pracownika firmy farmaceutycznej w czarnej komedii „Niejaki Joe” (2001) Johna Pasquina. Rok później partnerował Rene Russo w „Wielkich kłopotach” (2002) Barry’ego Sonnenfelda. Próbował uciec od tradycyjnego sposobu spędzania Świąt Bożego Narodzenia i zamiast zwyczajowego obiadu wybrać się z żoną (Jamie Lee Curtis) na wakacje w komedii „Święta Last Minute” (2004) Joe Rotha. W 2006 roku usiłował poradzić sobie z własną psią naturą w filmie „The Shaggy Dog” Briana Robbinsa.

Użyczył głosu Buzzowi Lightyear w filmach animowanych Johna Lassetera „Toy Story” (1995) i „Toy Story 2” (1999). Za tę pracę otrzymał w 2000 roku Annie Awards. Allen jest autorem kilku książek, m.in. „Don’t Stand Too Close to a Naked Man” (1994) i „I’m Not Really Here” (1996). Prowadzi firmę producencką Boxing Cat Films. Od czasów studiów interesuje się projektowaniem. W 1998 roku założył firmę Tim Allen Design.

W 1984 roku ożenił się z poznaną w college’u projektantką zieleni Laurą Diebel. Pięć lat później na świat przyszła ich córka Kady. Małżeństwo Tima i Laury zakończyło się w 2003 roku.