Estudió en la Universidad Harvard bajo la dirección de Louis Agassiz.

Participó en una expedición a Brasil y en varias otras por el interior de los Estados Unidos.

[1]​ En 1877 postuló la regla de Allen, que le hizo famoso en biología.

Allen fue el primer conservador de aves y mamíferos del American Museum of Natural History (de 1885 en adelante) y posteriormente fue el primer director del Departamento de Ornitología.

La abreviatura Allen se emplea para indicar a Joel Asaph Allen como autoridad en la descripción y taxonomía en zoología.