Pioniera nel campo dei compilatori ottimizzanti, i suoi successi includono il lavoro seminale nei compilatori, l'ottimizzazione dei codici e la parallelizzazione. Inoltre ha contribuito nel lavoro di intelligence sui linguaggi di programmazione e codici di sicurezza per la National Security Agency.
Allen fu la prima donna IBM Fellow e nel 2006 la prima donna a vincere il premio Turing.