Alison Lohman fait ses débuts en tant qu’actrice dans des séries télévisées comme 7 à la Maison et 2267, Ultime Croisade. Son premier rôle au cinéma est celui d’une adolescente dans le film de science-fiction Passé virtuel (1999). Ridley Scott la remarque et lui propose de donner la réplique à Nicolas Cage dans les Associés (2003). Pour le Laurier blanc (2003), le réalisateur Peter Kosminskye et les producteurs ont choisi Alison Lohman parmi 400 jeunes femmes. Tim Burton lui propose un rôle dans Big Fish en 2004. Elle campe une journaliste sans scrupule dans la Vérité nue (2005) d’ Atom Egoyan. L’année suivante, on la voit dans la comédie dramatique Flicka (2006) de Michael Mayer. Dans Delirious de Tom DiCillo, elle incarne une actrice faisant craquer un jeune photographe, puis elle prête ses traits à l'un des personnages de la Légende de Beowulf avant de jouer une ex-toxicomane dans Nos souvenirs brûlés (2008). En 2009, elle est l'héroine du nouveau film de Sam Raimi, Jusqu'en enfer et tourne avec Gérard Butler dans Ultimate Game.
