Van Allen je bil sin odvetnika. Diplomiral je leta 1935 na kolidžu Iowa Wesleyan v svojem rojstnem mestu. Že med študijem je začel meriti jakost kozmičnih žarkov. Po diplomi je nadaljeval študij na državni Univerzi Iowe v Amesu, kjer je doktoriral leta 1939. Od leta 1951 je bil predstojnik oddelka za fiziko na državni Univerzi Iowe. Januarja in marca 1958 je na tej univerzi s pomočjo Geiger-Müllerjevih števcev, nameščenih na prvem uspešnem ameriškem umetnem satelituExplorer 1 in 3 odkril Van Allenove sevalne pasove okrog Zemlje. S satelitom Sputnik 2 sta jih istega leta na osnovi podobnih podatkov odkrila tudi Vernov in Čudakov. Van Allenove pasove so potrdili še decembra 1958 z balonom.