Van Allen nait le dans une petite ferme située près deMount Pleasant dans l'Iowa. ll fait ses études à l' IowaWesleyan College (1935), puis à l'université de l'Iowa où il obtient unelicence en sciences (1936) puis undoctorat (1939).
À la fin de la guerre, il retourne à la vie civile et commence à faire des recherches sur la haute atmosphère notamment sur lesrayons cosmiques. Il utilise desfusées-sondes pour étudier celle-ci ce qui l'amène à faire connaissance des principaux spécialistes des fusées commeWilliam H. Pickering, un ingénieur néo-zélandais devenu auJet Propulsion Laboratory un spécialiste des télémesures des fusées (guidage et contrôle des données), etWernher von Braun responsable de l'équipe développant les missiles balistiques de l'Armée de Terre. En 1951 il devient professeur et directeur du département de physique et d’astronomie de l’Université de l'Iowa.
La carrière de James Van Allen prend un nouveau tournant au début des années 1950 lorsqu'il propose avec plusieurs autres scientifiques américains de lancer un satellite scientifique dans le cadre du programme de recherche de l'année géophysique internationale de1957-1958. Faisant suite au succèssoviétique deSpoutnik 1 et à l'embarrassant échec de la première tentative américaine, le lancement deExplorer 1, l'engin proposé par Van Allen, fut approuvé. Explorer 1 effectua sa mission le et rapporta une grande quantité d'importantes données scientifiques qui permirent de montrer que la Terre est entourée de ceintures de radiation, qu'on appelle aujourd'hui lesceintures de Van Allen. Ce fut la première découverte majeure de l'ère spatiale[2]. Par la suite il développe avec son équipe de nombreux instruments scientifiques embarqués à bord des missions spatiales : ceux-ci sont présents à bord des quatre premiers satellites duprogramme Explorer, des premières sondes spatialesPioneer et de certainessondes spatiales duProgramme Mariner.
Il prend sa retraite en1985 et devientprofesseur émérite après avoir été à la tête du département de physique et d'astronomie depuis1951. En1989, il reçut leprix Crafoord pour ses travaux. En1994, il reçoit leprix Gerard-P.-Kuiper. Il décède le à l'âge de 91 ans. Son épouse est décédée en 2008.
Van Allen tient une fusée-sonde Rockoon utilisée pour étudier la haute atmosphère
Van Allen examine la charge utile d'une sonde spatiale Pionneer (1959)
Van Allen encadré par Pickering et von Braun soulève une réplique du premier satellite artificiel américain Explorer 1 durant une conférence de presse tenue immédiatement après son lancement