Карен родилась в городе Уиннинг, штата Минесотта, начальное образование получила в этом же городе, в 1994 году окончила Университет Северной Дакоты по специальности «машиностроение» со степенью бакалавра, в 1996 году получила степень магистра естественных наук в Университете штата Техас в Остине и в 1998 году в этом же университете получила степень профессора философии.
В 1998 году работала инженером системы контроля влияния окружающей среды в Crew and Thermal Systems Division, проекте Космического центра Джонсона (г. Хьюстон). Работала в основном над усовершенствованием системы теплового контроля скафандра, а также расчётами, связанными с системой охлаждения защитного костюма для пожарных. Кроме того, принимала участие в работе над расчётами распределения воздушных потоков в модуле TransHab, координировании и наблюдениях за разработкой системы жизнеобеспечения спускового аппарата X-38, дизайном системы термоконтроля для марсианской и лунной программ и другими проектами центра.
В июле 2000 года была выбрана NASA в качестве специалиста миссии (MS) и в августе начала тренировки. После двух лет тренировок была допущена в состав экипажа поддержки (Crew Support Astronaut) в отделение управления станции отдела астронавтов (Astronaut Office Station Operations Branch) «Экспедиции 6». Затем она работала в отделе космических челноков (Space Shuttle Branch) и в отделе исследований.
В мае 2008 года совершила свой первый полёт в космос в составе экспедиции STS-124, проведя в космосе более 13 дней.