Karen Agustiawan kemudian menempuh pendidikan tinggi di jurusan Teknik Fisika di Institut Teknologi Bandung (ITB) dan berhasil lulus pada tahun 1983.

Karir Karen Agustiawan di bidang energi, terutama minyak dan gas, dimulai ketika ia bergabung dengan Mobil Oil Indonesia pada tahun 1984.

Di Mobil Oil, Karen awalnya bekerja sebagai seorang analis dan programmer pemetaan sistem eksplorasi hingga tahun 1986.

Setelah itu, Karen dipindahkan ke bagian seismic processor and quality controller di perusahaan yang sama.

Ia terlibat dalam proyek seismik di Rokan, Sumatera Utara, dan Madura dari tahun 1987 hingga 1988.

Karirnya terus menanjak, dan Karen Agustiawan kemudian dipindahkan ke kantor pusat Mobil Oil di Dallas, Texas, Amerika Serikat, di mana ia menjadi seismic processor dan seismic interpreter untuk beberapa proyek internasional antara tahun 1989 dan 1992.

Setelah menjalani pengalaman berharga di luar negeri, Karen kembali ke Mobil Oil Indonesia dan mendapatkan posisi sebagai pimpinan proyek eksplorasi yang bertanggung jawab atas seluruh aplikasi studi geologi dan geofisika (G&G) serta infrastruktur pada tahun 1992-1993 dan 1994-1996.

Dua tahun setelahnya, Karen Agustiawan memutuskan untuk pindah dari Mobil Oil dan bergabung dengan CGG Petrosystem Indonesia sebagai manajer produk G&G serta ahli dalam manajemen data.

Selanjutnya, ia bekerja di Landmark Concurrent Solutions Indonesia dari tahun 1999 hingga 2000, mengemban peran sebagai spesialis pengembangan pasar dan manajemen informasi terintegrasi serta manajer pengembangan bisnis untuk klien-klien seperti ExxonMobil, Pertamina, BP Migas, dan Direktorat Jenderal Migas Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral.

Karen Agustiawan kemudian bergabung dengan perusahaan konsultan migas Halliburton Indonesia pada tahun 2002 dan menjabat sebagai commercial manager for consulting and project management dari tahun 2002 hingga 2006.

Pada bulan Desember 2006, ia diangkat sebagai Staf Ahli Direktur Utama bidang Hulu di PT Pertamina (Persero).

Perjalanan kariernya semakin cemerlang ketika Karen Agustiawan menduduki posisi Direktur Hulu di PT Pertamina (Persero) pada bulan Maret 2008, dan ia menjabat hingga tanggal 5 Februari 2009.

Kemudian, pada tanggal 5 Februari 2009, Karen Agustiawan dipercaya untuk memegang posisi puncak sebagai Direktur Utama (Dirut) PT Pertamina (Persero), salah satu perusahaan minyak dan gas terbesar di Indonesia.

Karen Agustiawan memimpin Pertamina selama enam tahun, hingga tahun 2015.