Allen creció en una granja en Perú, Nueva York y obtuvo una maestría en Matemáticas por la Universidad Estatal para Profesores de Nueva York en 1954.Ganó un M.Sc. Grado en matemáticas en la Universidad de Michigan en 1957 y empezó a dar clases en Perú, Nueva York. Endeudada por sus estudios universitarios, se incorporó a IBM el 15 de julio de 1957, planeando quedarse sólo hasta pagar sus deudas, pero acabó por quedarse los 45 años que le quedaban de carrera.
Allen se casó con el profesor de la Universidad de Nueva York Jacob T. Schwartz en 1972. Se divorciaron diez años después. No tuvo hijos.
Falleció el 4 de agosto de 2020, en el día de su 88 cumpleaños a causa de la enfermedad de alzheimer .
En 2006 se convirtió en la primera mujer ganadora del Premio Turing de la Association for Computing Machinery (considerado el Nobel de las Ciencias de la Computación), “por sus contribuciones que mejoraron fundamentalmente el rendimiento de los programas de computador y aceleraron el uso de sistemas de computación de alto rendimiento”.
Pasaron 40 años antes de que a una mujer se le otorgara el Premio Turing, considerado como el Nobel de la computación. El primero fue entregado en 1966 y fue en 2006 cuando se le otorgó a la primera mujer: Frances Allen (1932-2020).
El trabajo de Allen se refleja en "casi todos los sistemas de software que cualquier persona usa: cada aplicación, cada sitio web, cada videojuego o sistema de comunicación, cada computadora del gobierno o de un banco, cada computadora dentro de un automóvil o de un avión", explicó Graydon Hoare, creador del lenguaje de programación Rust, en el artículo de Metz.