Karen Gomyo nasceu na cidade de Tóquio, mas iniciou a sua formação musical em Montreal, no Canadá. Mais tarde mudou-se para Nova Iorque, onde estudou na Juilliard School. Atualmente reside em Berlim e apresenta-se com regularidade com as principais orquestras europeias, norte-americanas, australianas e da Nova Zelândia. Na presente temporada, estreia-se com a Orquestra Sinfónica de Pittsburgh, a Metropolitana de Tóquio, a New World Symphony e a Metropolitana de Montreal. Colabora também com a Sinfónica de Bamberg, num concerto na Isarphilharmonie de Munique, com a Filarmónica de Los Angeles, com a National Arts Centre Orchestra e com a Orquestra Sinfónica Nacional de Taiwan. Participa no Festival de Música de Seattle e apresenta-se com a pianista Kiveli Dörken e o violoncelista Julian Steckel em vários concertos na Alemanha.
Karen Gomyo demonstra um interesse particular pela interpretação do repertório contemporâneo. Em 2015 realizou a estreia norte-americana do Concerto n.º 2, Mar'eh, de Matthias Pintscher, com a National Symphony Orchestra (Washington D.C.), sob a direção do compositor. Em 2018 estreou o novo Concerto de Câmara de Samuel Adams, com a Sinfónica de Chicago e o maestro Esa-Pekka Salonen. Outros maestros com os quais colaborou incluem Sir Andrew Davis, David Robertson, David Zinman, Hannu Lintu, Pietari Inkinen, Jaap van Zweden, Dima Slobodeniouk, James Gaffigan, Karina Canellakis, Leonard Slatkin, Louis Langrée, Mark Wigglesworth, Neeme Järvi, Pinchas Zukerman, Thomas Dausgaard, Thomas Søndergård, Vasily Petrenko ou Yannick Nézet-Séguin.
Karen Gomyo é também uma admiradora e grande intérprete do Nuevo Tango de Astor Piazzolla, tendo recentemente colaborado com Pablo Ziegler, o lendário pianista de Piazzolla, e com os bandoneonistas Hector de Curto e JP Jofre. Em 2021 a BIS Records lançou o álbum A Piazzolla Triology, gravado com um grupo de cordas da Orchestre National des Pays de la Loire e a guitarrista Stephanie Jones.
No domínio da música de câmara, Karen Gomyo tem colaborado com outros artistas de topo como Kathryn Stott, Leif Ove Andsnes, James Ehnes, Antoine Tamestit, Emmanuel Pahud, Lawrence Power, Christian Poltéra, Alisa Weilerstein, Tine Thing Helseth, Lars Anders Tomter, Eric le Sage, Daishin Kashimoto e Paul Meyer. Realizou uma digressão na Austrália com a meio-soprano Susan Graham e membros da Orquestra de Câmara Australiana. Participa como violinista, anfitriã e narradora num filme documental sobre Antonio Stradivari, intitulado The Mysteries of the Supreme Violin, produzido pela NHK.