Allen, Yahudi bir ailenin çocuğu olarak 1935'te Brooklyn, New York'ta doğdu. Nettie (1906 – 2002) ve Martin Konigsberg (1900 – 2001) çiftinin çocuğudur. Kız kardeşi Letty Aronson da sinema dünyasında yer almış, yapımcı kimliğiyle Allen'ın çektiği neredeyse tüm filmlerin yapımcısı olmuştur.
Woody Allen, Harlene Rosen ile 1956'dan 1959'a, Louise Lasser ile de 1966'dan 1970'e kadar evli kaldı. 1970'lerin başında birlikte olmaya başladığı Diane Keaton'la ilişkisinden yola çıkarak Annie Hall filmini çeken Allen, 1980'lerde Mia Farrow'la uzun süreli bir ilişki yaşadı. 1992'de Farrow'un Kore kökenli evlatlık kızı Soon-Yi Previn'le ilişkisi ortaya çıktıktan sonra Farrow'la yollarını ayırdı ve 1997'de Previn'le evlendi.
Bütün hayatı boyunca New York'ta yaşayan Allen, eserlerinde sık sık New York'u konu edinmiştir.