Nació el 1 de diciembre de 1935 en el barrio de Brooklyn, Nueva York, con el nombre de Allan Stewart Königsberg.Proviene de una familia judía de orígenes ruso-austríacos, a la que el propio Allen define como «burguesa, bien alimentada, bien vestida, e instalada en una cómoda casa». Sus padres y su hermana también son neoyorquinos.
Woody estudió hasta los ocho años en una escuela hebrea, y después acudió a la escuela pública de Midwood High School. Durante su infancia, aprendió a tocar el violín; posteriormente se convertiría en intérprete declarinete (que toca con asiduidad en público, junto con una banda de jazz,The New Orleans Jazz Band), hecho que le ayudaría más tarde en la elección de las bandas sonoras de sus películas.
Hasta 1997, esta actividad de intérprete musical tuvo lugar en el Michael's Pub de Nueva York, pero al cerrar este local sus puertas, pasó a tocar cada lunes en el Café Carlyle, en el hotel del mismo nombre, al que sólo falta los días en que su actividad como cineasta se lo impide.
En 1968, rueda su primera película (primera película completamente escrita y dirigida por él y en la que actúa como un ladrón), Toma el dinero y corre. Al comienzo fue difícil encontrar una productora que financiara el proyecto (costaba dos millones de dólares), hasta que Palomar Pictures decidió apoyarlo. Aunque la productora no estuvo muy contenta con el resultado final, la película resultó ser un éxito de público.
Después de este éxito, a Allen no le costó trabajo encontrar algún estudio que siguiera pagando sus películas. En 1970 firma un contrato con United Artists (productora creada por Charles Chaplin), y comenzaría a rodar su segunda películaBananas. El contrato con United Artists lo comprometía para rodar tres películas, y el estudio le otorgó a Woody Allen total control sobre su producción, algo que era muy poco usual para cualquier director joven de la época (en aquella época ni siquiera Scorsese, Coppola o Mazursky tenían privilegios como éste).
En 1977, tras filmar El dormilón (1973) y Love and Death (1975), Allen realiza la película con la cual obtendría su primer premio Óscar: Annie Hall.
A partir de ese momento, Allen alcanza el éxito como director y guionista y también como actor, con la realización de películas ambientadas principalmente en su querida Manhattan, siendo uno de los primeros directores estadounidenses en reivindicar a cineastas europeos como Ingmar Bergman.
En 1979 realiza la película que lo consagraría como director, Manhattan; filmada en blanco y negro, con largas e imponentes tomas de la localidad de Manhattan. Esta película está considerada un clásico de la historia del cine.
Ha sido nominado numerosas veces al Óscar y en 1977 recibió el premio como mejor director por su película Annie Hall, pero no acudió a la entrega alegando que se había olvidado de la ceremonia (se había quedado tocando el clarinete ese día), Diane Keaton obtuvo un premio Óscar como mejor actriz por esta película. Este incidente con los Óscar no sirvió precisamente para aumentar su escasa popularidad en los Estados Unidos. Varias veces ha declarado que, si no fuese por su acogida en Europa, le resultaría imposible continuar filmando.
En 2002 recibe el Premio Príncipe de Asturias de las Artes. Desde entonces tiene una estatua en su honor en el centro de Oviedo. Sus últimas películas (2005–2012) han sido filmadas en Europa, recibiendo, como ya ha sido una constante, la aclamación de la crítica, especialmente la francesa.
En el verano de 2007 rodó la película Vicky Cristina Barcelona en Barcelona, Oviedo, Avilés y La Felguera donde participaron intérpretes como Scarlett Johansson,Penélope Cruz (ganó el Óscar a la mejor actriz de reparto) y Javier Bardem. La producción estuvo a cargo de Mediapro. El director de fotografía fue el ganador de numerosos goyas, Javier Aguirresarobe.
Su película mas importarte y conocida es Maridos y mujeres.
