Nació en Londres, Reino Unido, el 26 de marzo de 1985. Es hija de la dramaturga Sharman MacDonald y del actor Will Knightley. Tiene un hermano llamado Caleb, que se dedica al mundo de la música.
Keira supo desde pequeña que quería ser actriz. Con tan sólo 3 años les pedía a sus padres que contrataran algún representante artístico, ya que ella quería triunfar en la televisión.
Sus padres estuvieron de acuerdo en su elección, pero siempre fueron muy estrictos en cuanto a su educación.
Desde los seis apareció en programas de televisión, debutando en la pantalla grande con el personaje Natasha Jordan en la película británica Dos mujeres (1994), dirigida por Moira Armstrong.
Fue elegida como la actriz de películas más glamurosa por la revista Glamour en 2004, y en 2007 la mujer más bella de Gran Bretaña, según la encuesta de la cadena televisiva ITN. Ha sido portada de prestigiosas revistas como Vogue, Elle, Vanity Fair o Cosmopolitan, que la han incluido en numerosas ocasiones entre las mejor vestidas.
Keira ocupa el segundo lugar en la lista de los británicos menores de treinta años más ricos, con una fortuna estimada de 30 millones de libras. En el podio le acompañan Daniel Radcliffe (1º) y Emma Watson (3ª).
Keira, quien sufrió de dislexia, dio sus primeros pasos dentro del mundo de la interpretación en el colegio y en producciones juveniles. Su primera aparición en Hollywood fue interpretando a Sabé, la encargada de suplantar a la reina Padmé Naberrie Amidala (Natalie Portman) en Star Wars: Episode I – La amenaza fantasma, de George Lucas.
Consiguió su primer papel como protagonista en 2001, cuando interpretó a la hija de Robin Hood en la película para televisión Princesa of Thieves, producida por Walt Disney. Durante ese año también apareció en The Hole y en una adaptación para televisión de Doctor Zhivago.
Se dio a conocer gracias a su papel co-protagonista en la comedia social británica Quiero ser como Beckham, en el año 2002.
Saltó al estrellato al participar en 2003 en Pirates of the Caribbean: The Curse of the Black Pearl, de Gore Verbinski, en el papel de Elizabeth Swann. Compartía protagonismo con Johnny Depp y Orlando Bloom. La película entró en la lista de las películas más taquilleras de la historia y convirtió a Keira en una it-girl.
Participó en la comedia romántica británica Love Actually. Su siguiente película fue El rey Arturo (2004), en la que interpretaba a Ginebra. Para este papel tuvo que tomar lecciones de lucha e hípica.
En 2005 se estrenaron tres películas suyas. La primera fue The Jacket. Un thriller protagonizado por Adrien Brody que fue calificada por la crítica como poco original y desastrosa. La siguiente fue Domino de Tony Scott, una película de acción basada en la vida de la cazarecompensas Domino Harvey, que fue otro fracaso para la crítica, que insinuaba que Keira no era más que una cara bonita.
Sin embargo, todo cambió con el estreno de Orgullo y Prejuicio una adaptación de la novela de Jane Austen. Su papel como Elizabeth Bennet supuso una reconciliación con los críticos y le valió una nominación a los Globos de Oro y otra a los Oscar.
En 2006 y 2007 se estrenaron la segunda y tercera parte de Piratas del Caribe. Participó en Seda, una adaptación de la novela de Alesandro Baricco. Con Expiación, en la que trabajó con James McAvoy, volvió a conseguir una nominación a los Globos de Oro en la categoría de Mejor Actriz Dramática y otra a los BAFTA.
A mediados de 2007, se estrenó En el límite del amor (The Edge of Love) una película sobre el poeta galés Dylan Thomas. En ella trabajó con Cillian Murphy, Matthew Rhys y Sienna Miller, con la que comparte una gran amistad. En 2008 trabajó en La Duquesa, una película basada en la biografía de Georgiana Cavendish, Duquesa de Devonshire.
Tras un tiempo alejada del mundo cinematográfico, Keira volvió en 2010 con Never Let Me Go, basada en la novela de Kazuo Ishiguro; Last Night, con Eva Mendes y Sam Worthington y London Boulevard con Colin Farrell.
En 2011 se estrenará la película A Dangerous Method de David Cronenberg, en la que comparte cartel con Viggo Mortensen, Michael Fassbender y Vincent Cassel. Basada en los estudios y la vida de Carl Gustav Jung y Sigmund Freud, Keira interpreta a Sabina Spielrein, amante y paciente de Jung y posteriormente psicoanalista.
En otoño de 2011 empezará a rodar la adaptación de Anna Karenina de Joe Wright, volviendo así al rol de protagonista.