Nata a Toronto, in Canada, ha studiato alla Vaughan Road Academy. Inizia a lavorare per il teatro in varie produzioni Off-Broadway, come The Distance from Here di Neil LaBute, al fianco di Melissa Leo, Mark Webber e Anna Paquin. L'intero cast si aggiudica un Drama Desk Award nel 2004. Debutta a Broadway nel 2006 con The Lieutenant of Inishmore di Martin McDonagh, portato in scena al Lyceum Theater di New York, per il quale lo stesso anno viene candidata a un Tony Award come miglior attrice non protagonista in uno spettacolo. Successivamente recita nella commedia Off-BroadwayBlackbird, al fianco di Jeff Daniels e interpreta l'ultima stagione di Mauritius.
Dal 2020 al 2022 è tra i protagonisti di Star Trek: Picard, settima serie televisiva live action del franchise di fantascienza Star Trek. L'attrice è nelle prime due stagioni della serie, uscendo di scena alla fine della seconda. Qui vi interpreta la dottoressa Agnes Jurati, ricercatrice dell'Istituto Daystrom, struttura che si occupa di studiare la vita artificiale, e amante di Bruce Maddox, che si unisce alla ciurma di Jean-Luc Picard (Patrick Stewart), in seguito a un'unione mentale con la vulcaniana infiltrata nella Flotta StellareOh (Tamlyn Tomita), che la convince di uccidere Maddox, azione per cui poi ne soffrirà i sensi di colpa. Nella seconda stagione, quando l'equipaggio de La Sirena ritorna indietro nel tempo fino al XXI secolo, verrà assimilata dalla Regina Borg (Annie Wersching), diventando a sua volta una nuova Regina Borg, ma non più ostile nei confronti della Federazione, cambiando l'attegiamento dei Borg da aggressivo a collaborativo.
Nel 2023 è nella serie retrofuturista di Apple TV+Hello Tomorrow!, dove interpreta il personaggio coprotagonista di Myrtle Mayburn, convinta da Herb Porter (Dewshane Williams) della Brightside ad acquistare una multiproprietà sulla Luna, per la quale abbandona il marito fedifrago incendiando la propria casa, con la speranza di poter cambiare vita dall'oggi al domani, ma trovandosi parcheggiata in un Hotel a causa del lancio sulla Luna posticipato di sei mesi. In seguito medita vendetta e, alleatasi con il funzionario Lester Costopoulos (Matthew Maher), scopre con lui l'imbroglio che si cela dietro le operazioni commerciali della Brightside.
Vita privata
È stata fidanzata dal dicembre 2010 al marzo 2013 con l'attore Jay Baruchel. Dopo quattro mesi di fidanzamento, nel maggio 2015 ha sposato l'attore Joshua Leonard, da cui ha avuto una figlia, Wilder Grace, nata nel 2016.
Nelle versioni in italiano delle opere in cui ha recitato, Alison Pill è stata doppiata da:
Federica De Bortoli in Scott Pilgrim vs. the World, The Newsroom, Ave, Cesare!, Miss Sloane - Giochi di potere, American Horror Story, Star Trek: Picard, Hello Tomorrow!, Trap
