Urodził się jako syn Fabiena Delona, właściciela małego kina z Korsyki, i Edith Delon, farmaceutki z Algierii. W 1939 roku jego rodzice rozwiedli się, a on został umieszczony w katolickiej szkole z internatem w Isy de Mulino. Był sześciokrotnie karany za dyscyplinę i błędy w szkole. Kiedy jego matka ponownie wyszła za mąż za kupca Paula Bulona, Allen podjął się zawodu wędliniarza i pomagał ojczymowi.
Powołany do wojska w wieku siedemnastu lat, Allen służył w Sajgonie w Wietnamie i brał udział w wojnie w Indochinach. Po powrocie ze służby w 1956 roku poznał Jeana-Claude'a Brialy'ego, który zaprosił go na festiwal filmowy w Cannes, gdzie jego wygląd, cechy fizyczne i charyzma komunikacji przyciągnęły uwagę wielu aktorów filmowych. Już w 1957 r. niewielka rola Joe w jego pierwszym filmie Quand la femme s'en mêle (Kiedy kobieta interweniuje) przyniosła mu sukces, który towarzyszył mu przez 87 filmów. W wieku 23 lat był już porównywany do francuskich gwiazd filmowych, takich jak Gerard Philippe i Jean Marais, a także do amerykańskiego aktora Jamesa Deana.
W 1958 roku, podczas produkcji Christine, poznał Romi Schneider, a ich zaręczyny 22 marca 1959 roku zostały okrzyknięte przez media świętem młodości, piękna i sukcesu. Jednak po sześciu latach narzeczeństwa nigdy nie zostali mężem i żoną. W 1964 roku jego pierwszą żoną została aktorka Natali Kanov, z którą 30 września miał syna Anthony'ego. Po czterech latach małżeństwa rozwiedli się. W 1968 roku, podczas kręcenia filmu "Jeff", poznał aktorkę Mireille Darc. Ich związek trwał 15 lat, do 1982 r. W 1987 r. Allen poznał holenderską modelkę Rosalie van Breemen. W 1990 r. urodziła się ich córka Anushka, a w 1994 r. syn Allen-Fabien. Para rozwiodła się w 2002 r.
W 1964 r. założył wytwórnię filmową Adel, a od 1968 r. pracował jako producent. Grał głównie w filmach przygodowych i kryminałach. W 1981 roku nakręcił swój pierwszy film fabularny, Pour la peau d'un flic (Na głowę policjanta).
W 1985 roku został obywatelem Szwajcarii i osiedlił się w pobliżu jeziora Leman.
