James van Allen wurde am 17. September 1914 in Mount Pleasant, im amerikanischen Bundesstaat Iowa, geboren.
Van Allen war verheiratet und Vater von fünf Kindern. Er starb am 9. August 2006 im Alter von 91 Jahren.

Bereits in seinen jungen Jahren entwickelte er großes Interesse an mechanischen und elektrischen Geräten, die er teilweise selbst baute. 1939 schloss er sein Physikstudium an der Universität von Iowa City mit höchstem Lob (summa cum laude) ab. Bis 1946 arbeitete er in der Kriegsindustrie und war mit der Entwicklung und dem Bau von Annäherungs-Zündern beschäftigt.
Von 1946 bis 1950 war er an der John Hopkins-Universität in Baltimore (USA) mit Hochatmosphäreforschung befasst. Ab 1951 leitete er an der University of Iowa die Abteilung Physik und Astronomie.
Berühmtheit erlangte er durch die Entdeckung des Strahlungsgürtels, der die Erde umgibt. Van Allen entwickelte ein Messinstrument, das an Bord des ersten amerikanischen Satelliten "Explorer 1" im Jahr 1958 in den Weltraum gebracht wurde. Ihm zu Ehren wurde die Strahlungszone Van-Allen-Gürtel genannt. Diese Strahlungszone besteht im Wesentlichen aus geladenen Teilchen aus dem Sonnenwind, die vom Erdmagnetfeld abgelenkt und so in bestimmten Zonen des erdnahen Raums konzentriert werden.
Van Allen entdeckte im Rahmen der Pioneer 10 und 11 Missionen einen Strahlungsgürtel um Jupiter und einen um Saturn.
Er wurde im Lauf seines Lebens 13 mal mit Ehrendoktorwürden ausgezeichnet, weitere hohe Auszeichnungen erhielt er, weil seine Forschungsergebnisse die internationale Weltraumforschung wesentlich voran brachte.