Отец Карин был инженером, затем страховым агентом, мать — служащей в той же компании, что и отец. Отец отличался психической неустойчивостью, поэтому Карин воспитывалась матерью. В 1909 семья переехала в Стокгольм. Карин училась в Уппсальском университете в 1921-1926, в 1922 вышел первый сборник её стихов «Облака». В двадцатые годы она входила в социалистическую группу «Кларте». Перевела роман Томаса Манна «Волшебная гора» (1929). В 1931 Бойе стала одним из основателей поэтического журнала «Спектр», переводила Т. С. Элиота, пропагандировала сюрреализм.
В 1930 посетила СССР, в 1932-1933 жила в Берлине, после чего написала роман-антиутопию «Каллокаин» (1940), ставшую её наиболее известным произведением, многократно переизданным и переведённым на многие языки.
Несколько романов с мужчинами не принесли ей счастья.
В 1941 в жизни Карин образовался любовный треугольник: Карин жила одним домом с немецкой эмигранткой Марго Ханель, но при этом она была влюблена в другую женщину — Аниту Натхорст, умиравшую от рака и предлагавшую Карин лишь дружбу. Душевные муки заставили Карин покинуть дом и уйти в лес, где, согласно региональным архивам Гётеборга, она была найдена мёртвой около большого камня на холме, севернее города Алингсос. Принято считать, что она покончила с собой: при ней был обнаружен пузырёк снотворного. Через месяц после трагедии покончила с собой и Марго Ханель, а еще три месяца спустя скончалась Анита Натхорст.
Карин Бойе оказала глубокое влияние на скандинавскую поэзию. Стихи её памяти посвятили Ингер Хагеруп, Харри Мартинсон, Яльмар Гулльберг. В 1983 в Швеции было создано Общество Карин Бойе. В 2004 её именем назвали библиотеку Уппсальского университета.
