A soli 21 anni Keira Knightley conferma il suo status di star in rapida ascesa con candidature agli Oscar e ai Golden Globe come miglior attrice per il ruolo di Elizabeth Bennet in Orgoglio e pregiudizio di Joe Wright. A queste hanno fatto seguito le candidature per i Golden Globes, i BAFTA per il suo ruolo in Espiazione, il suo secondo film con il regista Joe Wright, molto apprezzato dalla critica.
Il suo primo ruolo di rilievo è stato nel film di grande successo Sognando Beckham di Gurinder Chadha, per il quale ha vinto il London Critics Circle Award come miglior attrice esordiente dell'anno. E' stata poi scelta dal regista Gore Verbinski e dal produttore Jerry Bruckheimer come protagonista, al fianco di Johnny Depp, Orlando Bloom e Geoffrey Rush, del blockbuster del 2003 Pirati dei Caraibi: La maledizione della prima luna seguito dal grande successo mondiale di: Pirati dei Caraibi: La maledizione del forziere fantasma e Pirati dei Caraibi: Ai confini del mondo.
I suoi svariati successi includono: il film d'azione di Tony Scott Domino, King Arthur di Antoine Fuqua e Jerry Bruckheimer, il thriller di John Maybury The Jacket al fianco di Adrien Brody, Love Actually di Richard Curtis in cui appare in un cast strepitoso assieme, fra gli altri, a Hugh Grant, Colin Firth, Laura Linney, Liam Neeson, Alan Rickman, Bill Nighy e Emma Thompson. E ancora: Star Wars: Episodio I La minaccia fantasma, The Hole, Pure, Seta, The Edge Of Love di John Maybury, incentrato sugli anni giovanili del poeta gallese Dylan Thomas, al fianco di Cillian Murphy, Sienna Miller e Matthew Rhys, e La duchessa con Ralph Fiennes.
Più di recente è apparsa in Non lasciarmi di Mark Romanek al fianco di Carey Mulligan e Andrew Garfield, London Boulevard di William Monahan con Colin Farrell, Anna Friel e David Thewlis, e Last Night di Massy Tadjedin con Sam Worthington e Eva Mendes. Prossimamante sarà la protagonista di Anna Karenina di Joe Wright al fianco di Aaron Johnson.
Ha fatto il suo debutto per la televisione inglese, all'età di sei anni, in Royal Celebration, e i suoi primi lavori includono A Village Affair e Intrigo perverso oltre a ruoli nella serie televisiva The Bill, nei film per la televisione Treasure Seekers, Coming Home e in Gwyn, principessa dei ladri della Walt Disney. Ha recitato anche nelle mini-serie Oliver Twist e Il Dottor Zhivago, tratto dal celebre romanzo di Boris Pasternak.
Nel 2009 ha debuttato in teatro nel West End nel Misantropo al Comedy Theatre, per il quale ha ricevuto le candidature ai premi Laurence Olivier e Ian Charleson come migliore attrice non protagonista. Al momento è in scena al Comedy Theatre in The Children's Hour di Lillian Hellman. Keira Knightley è inoltre il volto di Coco Mademoiselle per Chanel.