Setelah meninggalkan Mobil Oil, Karen melanjutkan kariernya di CGG Petrosystem Indonesia sebagai product manager selama hampir tiga tahun.
Ia juga sempat bekerja di Landmark Concurrent Solusi Indonesia selama satu tahun sebelum bergabung dengan Halliburton Indonesia sebagai konsultan migas pada 2002 hingga 2006.
Keahlian dan pengalaman luasnya menarik perhatian direksi Pertamina yang kemudian merekrutnya sebagai Staf Ahli Direktur Utama bidang Hulu pada 2006.
Dalam waktu singkat, Karen Agustiawan mendapatkan promosi menjadi Direktur Hulu Pertamina pada 2008 hingga 2009. Kariernya terus menanjak hingga akhirnya ia dipercaya menjabat sebagai Direktur Utama Pertamina selama hampir lima tahun. Namun, perjalanan cemerlangnya di dunia migas berakhir dengan kasus hukum.
Pada 2019, Karen terbukti bersalah dalam kasus korupsi Blok Baser Manta Gummy (BMG) di Australia yang menyebabkan kerugian negara sebesar Rp 568 miliar. Ia divonis 1,5 tahun penjara dan dinyatakan bebas pada awal 2020.