Kirsten Osen er internasjonalt kjent for sine grundige og systematiske studier av cochleariskjernene, en samling nerveceller i sentralnervesystemet som bearbeider sanseinformasjon fra øret. Utenfor hjerneforskernes krets er hun i Norge kjent for å ha vært en fremragende lærer for medisinske studenter i Tromsø og Oslo. 1971 var hun den første kvinne som ble ansatt som professor ved et medisinsk fakultet i Norge.
Kirsten Osen vokste opp i Alta og Pasvik. Faren var lærer og i Pasvik skolestyrer for en folkehøyskole. Under vinterkrigen mellom Finland og Sovjetunionen 1939 ble skolebygningen tatt i bruk som sykestue, og familien ble evakuert til Uvdal i Numedal, der de drev en fjellgård med fire kyr, en gris og noen høns frem til 1945. Etter krigen drog resten av familien tilbake til Finnmark, mens Kirsten drog til Oslo, bodde på hybel og gikk på Kristelig gymnasium. Etter examen artium 1948 studerte hun medisin i Oslo. Hun ble cand.med. 1954 og var turnuskandidat i Stokmarknes. I seks år arbeidet hun deretter som patolog ved Ullevål sykehus og Radiumhospitalet.
Etter at hun ble spesialist i patologi 1962, søkte Kirsten Osen en vitenskapelig assistentstilling ved Anatomisk institutt i Oslo. Hun forteller i intervjuer at det ikke var noe “forskerkall” som lå bak, bare et ønske om å endre arbeidssituasjonen og prøve noe nytt. Instituttets bestyrer professor Jan Jansen gav henne i oppgave å undersøke cochleariskjernene i preparater fra hval og hvalfostre som var oppbevart ved instituttet, de eldste helt fra Gustav Guldbergs undersøkelser i 1880-årene. Senere fulgte eksperimentelle mikroskopiske undersøkelser av kjernene hos katt.
Doktoravhandlingen fra 1970 presenterte resultater fra disse to artene, men hun har senere også undersøkt de samme kjernene og andre deler av hørselssystemet hos mus, rotte, flaggermus, aper og menneske. Hennes viktigste funn var at nervecellene i cochleariskjernene kunne deles i 9 typer. Denne inndelingen har dannet basis for en rekke senere anatomiske og fysiologiske undersøkelser av andre forskere. Disse undersøkelsene har langt på vei bekreftet Kirsten Osens inndeling og hennes hypotese, nemlig at hver celletype analyserer sin spesielle egenskap ved lyden, så som tonehøyde, styrke, varighet, lydens lokalisasjon osv.
Senere i sin forskerkarriere har Kirsten Osen i hovedsak fortsatt sine studier av hørselsbanene, men etter hvert med elektronmikroskopiske og immunhistokjemiske metoder i tillegg til de klassiske lysmikroskopiske. Som pensjonist i en alder av 75 år er hun i 2003 fortsatt aktiv som forsker og forskerveileder.
I slutten av 1960-årene var Kirsten Osen fast ansatt i en trygg stilling som prosektor ved Anatomisk institutt. Hun var kjent som en fremragende lærer med en tørrvittig presentasjonsform og med et nært og vennskapelig forhold til studentene. Det var ikke mange kvinner ansatt ved det medisinske fakultetet i Oslo på den tiden, og hun var derfor en viktig rollemodell for kvinnelige medisinske studenter, som etter hvert økte i antall. Bortsett fra et års turnustjeneste hadde Kirsten Osen ikke bodd i Nord-Norge etter at hun var 11 år gammel. Imidlertid hadde hun det meste av sin familie i Finnmark og regnet seg som Nord-Norge-patriot. Da Universitetet i Tromsø ble opprettet, følte hun det nesten som en plikt å søke stilling der. Hun ble utnevnt til professor i “morfologi” i Tromsø 1971 og ble den første kvinnelige professor ved et medisinsk fakultet i Norge. I Tromsø ble hun leder av studiestyret for medisin og nedla et meget stort arbeid ved utarbeidelsen av et helt nytt studieopplegg, radikalt forskjellig fra studieopplegget i Oslo og Bergen.
Oppholdet i Tromsø varte imidlertid bare i fem år. Da hun flyttet opp, hadde hun mann og to tenåringsbarn med. Mannen hadde søkt permisjon fra sin stilling i Oslo og håpet å finne en stilling i Tromsø. Da det viste seg å være vanskelig, flyttet han og den ene sønnen tilbake til Oslo etter et år, og familien hadde de neste fire årene to husholdninger. I likhet med de fleste andre universitetslærerne i Tromsø på denne tiden ble Kirsten Osen også motarbeidet av såkalt radikale studenter, og kombinert med den vanskelige familiesituasjonen førte det til at hun flyttet tilbake til Oslo og til Anatomisk institutt.
Utenfor medisin har Kirsten Osen vært svært aktiv i Norske leger mot atomvåpen og i Den norske Pugwashkomiteen. Hun er medlem av Det Norske Videnskaps-Akademi siden 1995 og æresdoktor ved universitetet i Salamanca, Spania.