Narodil se v městečku Mount Pleasant, ležícím v jihovýchodní části amerického státu Iowa. V rodném městě postupně navštěvoval základní i střední školu. Poté postoupil na místní vysokou školu Iowa Wesleyan College, kde získal nejprve bakalářský, poté magisterský titul a roku 1939 zde obdržel doktorát v oboru fyzika pevných skupenství.
Krátce po ukončení školy začal pracovat v Carnegieho ústavu, kde vyvíjel radiové a fotoelektrické rozbušky pro různé druhy zbraní. Zároveň se začal zajímat i o kosmické záření. Mezi roky 1942 a 1946 působil v řadách námořnictva, kde zastával funkci asistenta důstojníka u dělostřelectva.
Po skončení 2. světové války vytvořil tým, který zkoumal německé bojové rakety V-2. Chtěl je využít k průzkumu horních vrstev atmosféry, ale ukázalo se, že jsou pro tyto účely příliš robustní a komplikované. Navrhl proto vlastní řešení, které pojmenoval Aerobee (v překladu „Vzdušná včela“), které se osvědčilo. Na přelomu 40. a 50. let se podílel na stavbě tzv. raketobalónů, což byla zařízení, vynášející přístroje do velkých výšek pomocí kombinace balónu a raketové techniky. Po počátečních problémech přinesly řadu poznatků, mimo jiné odhalily i první náznaky radiačních pásů.
Roku 1951 se stal Van Allen jedním z vědců, kteří navrhli uspořádání Mezinárodního geofyzikálního roku v letech 1957-1958. To inspirovalo vlády USA i SSSR k prohlášení, že v tomto období vypustí vlastní družici na oběžnou dráhu Země.
Sovětům se tento záměr podařil 4. října 1957, kdy vypustili Sputnik 1, Američanům až téměř o čtyři měsíce později, 31. ledna 1958. Americká družice Explorer 1 však na rozdíl od Sputniku na své palubě nesla vědecké přístroje a mezi nimi detektor kosmického záření. Jeho umístění prosadil Van Allen a díky tomu se podařilo potvrdit, že v okolí Země existuje oblast, kde jsou v magnetickém poli zachyceny částice slunečního větru. Později se díky dalším sondám podařilo odhalit, že tyto oblasti jsou dvě a získaly jméno právě po Van Allenovi.
Van Allen i v dalších letech vyvíjel různé přístroje pro družice, sondy i rakety. Podílel se například na programech Pioneer, Mariner či Voyager. Mimo jiné zkoumal, kam až dosahuje sféra vlivu slunečního větru. Původně se vědci domnívali, že končí někde na úrovni planety Jupiter, ale současný výzkum ukazuje, že je výrazně větší, zřejmě dosahuje do vzdálenosti 75 až 90 AU.
