René Allio commence sa carrière comme décorateur au théâtre après la fin de ses études littéraires.

Au milieu des années 1950, il réalise sa première scénographie pour le Théâtre de la Cité de Villeurbanne et poursuit pour la Comédie-Française, l'Opéra de Paris, le Théâtre national populaire et les Tréteaux de France dont il conçoit le premier plateau pour Jean Danet.

Il intervient également sur les scènes théâtrales européennes comme la Scala de Milan et la Royal Shakespeare Company de Londres. Il contribue aussi à la conception de nouveaux théâtres comme ceux de La Commune d'Aubervilliers, de la Maison de la Culture de Lyon, du théâtre d'Hammamet en Tunisie et du Théâtre de la Ville de Paris.

Il réalise son premier film en 1962, le court métrage La Meule, avant d’obtenir un grand succès en 1965 avec son premier long métrage, La Vieille Dame indigne, qui lui permet de renouer avec ses racines marseillaises. Ce film, plusieurs fois primé, lui permet d’enchaîner rapidement avec L'Une et l'Autre (1967) et des films notables comme Les Camisards (1972), Rude Journée pour la reine (1973), Retour à Marseille (1980), avant d’achever sa carrière cinématographique en 1991 avec Transit et sa participation au collectif Contre l’oubli.

Il fut successivement l’époux de l’actrice Malka Ribowska et de Christine Laurent.