Nato a Denver da Martha e Gerald Dick, suo padre morì in un incidente d'auto quando Allen aveva undici anni. Sua madre sposò Bill Bones e la famiglia di Allen si spostò a Detroit quando lui aveva tredici anni. Frequentò la Seaholm High School a Birmingham, Michigan, e la Western Michigan University a Kalamazoo. Più tardi ricevette anche una laurea honoris causa.
Iniziò la sua carriera come cabarettista. Per una scommessa con un suo amico, partecipò a una serata open-mic (evento aperto a tutti coloro che vogliono cimentarsi in una performance da palcoscenico, in genere cantanti o attori) in un night club a Detroit. Ben presto iniziò a partecipare regolarmente a diversi show comici. Più tardi si trasferì a Los Angeles e diventò un membro del The Comedy Store, dove proseguì la carriera di cabarettista nei talk-show notturni, facendo anche parte della “sporca dozzina”, un gruppo di comici famosi per il loro humour adulto.
Raggiunse la fama come attore nella serie televisiva Quell'uragano di papà, andata in onda sulla ABC dal 1991 al 1999, dove interpretava Tim Taylor. Nel 1994 fu il protagonista del film campione di incassi Santa Clause, e, sempre nello stesso anno, pubblicò un libro, Don't Stand Too Close to a Naked Man, che divenne un successo commerciale in Nord America. Negli anni seguenti diede la voce a Buzz Lightyear nel film di animazione Toy Story - Il mondo dei giocattoli. Creò inoltre la Tim Allen Signature Tools, una linea di attrezzi e utensili distribuiti da Ryobi anche se, come ha scritto nel suo primo libro, è ben lontano dall'essere un esperto di riparazioni. Il successo di questa serie è probabilmente dovuto al suo repertorio, contenente temi adatti a più fasce di pubblico. Dal 2011 interpretò il personaggio di Mike Baxter, protagonista de L'uomo di casa, la seconda sit-com della rete ABC in termini di ascolto. Grande amico di Jay Leno, Allen ha una stella nella Hollywood Walk of Fame al 6834 di Hollywood Boulevard. Nel 2009 diresse il film Ricomincio da zero, di cui fu anche protagonista.
È stato sposato con Laura Diebel dal 1984 al 2003, anno del loro divorzio; hanno avuto una figlia, Katherine, nata nel 1989. Diebel una volta ha lavorato come direttore esecutivo della linea di attrezzi di Allen. Il 7 ottobre 2006 a Grand Lake, Colorado, Allen ha sposato l'attrice Jane Hajduk, con la quale si era fidanzato da cinque anni.[senza fonte] Da quest'ultima, ha avuto una figlia, Elizabeth, nata nel 2009.
Il 2 ottobre 1978 Allen venne arrestato all’aeroporto internazionale di Kalamazoo, nel Michigan, per possesso di oltre 600 grammi di cocaina. Allen si dichiarò subito colpevole di narcotraffico e fornì i nomi di altri spacciatori per ricevere una pena dai 3 ai 7 anni di reclusione piuttosto che rischiare una condanna all'ergastolo. Fu rilasciato sulla parola il 12 giugno 1981, dopo aver scontato 2 anni e quattro mesi nel Federal Correctional Institution di Sandstone, nel Minnesota.[3][4]
Il 24 maggio 1997 Allen venne arrestato per guida in stato di ebbrezza a Bloomfield, nel Michigan. Fu condannato ad un anno di libertà vigilata nonché ad entrare una clinica di riabilitazione per abuso di alcol.[5]
Nelle versioni in italiano dei suoi film, Tim Allen è stato doppiato da:
Teo Bellia in Quell'uragano di papà (st. 8), Big Trouble - Una valigia piena di guai, Che fine ha fatto Santa Clause?, Shaggy Dog - Papà che abbaia... non morde, Santa Clause è nei guai, Svalvolati on the road, Ricomincio da zero
Michele Gammino in Galaxy Quest, Chi è Cletis Tout?, L'uomo di casa, El Camino Christmas
Massimo Dapporto in Toy Story - Il mondo dei giocattoli, Toy Story 2 - Woody e Buzz alla riscossa, Buzz Lightyear da Comando Stellare - Si parte!, Cars - Motori ruggenti, Toy Story 3 - La grande fuga, Vacanze hawaiiane, Buzz a sorpresa, Toy Story of Terror!, Toy Story: Tutto un altro mondo, Ralph spacca Internet, Toy Story 4
