Marthe Keller se forme à la danse puis suit les cours de l'école Stanislavski de Munich. Elle apparaît dans plusieurs téléfilms, joue au théâtre et part à Berlin, où elle apparaît dans son premier film, MES FUNÉRAILLES À BERLIN (Guy Hamilton, 1966). À Paris, elle rencontre Philippe De Broca, qui la filme dans LE DIABLE PAR LA QUEUE (1969) puis LES CAPRICES DE MARIE (1970), et elle joue sur scène et devient populaire grâce à la série LA DEMOISELLE D’AVIGNON (1972). Elle brille dans les comédies LA VIEILLE FILLE (Jean-Pierre Blanc) et ELLE COURT, ELLE COURT, LA BANLIEUE (Gérard Pirès), s'aventure dans les drames LA CHUTE D'UN CORPS (Michel Polac) et VERTIGES (Mauro Bolognini), et porte TOUTE UNE VIE (Claude Lelouch) (1972-1975). Appelée par les Etats-Unis, elle y tourne MARATHON MAN (John Schlesinger) avec Dustin Hoffman, BLACK SUNDAY (John Frankenheimer), BOBBY DEERFIELD (Sydney Pollack) avec Al Pacino, FEDORA (Billy Wilder) avec William Holden et LA FORMULE (John G. Avildsen) avec Marlon Brando (1976-1980). Après L'HOMME DE PRAGUE (Charles Jarrott, 1981), sa carrière nord-américaine s'essouffle, et elle regagne l'Europe où elle touche le public français dans FEMMES DE PERSONNE (Christopher Frank) et ROUGE BAISER (Véra Belmont) (1984-1985). On la retrouve plus discrète dans des seconds rôles de LES YEUX NOIRS (Nikita Mikhalkov, 1987), K (Alexandre Arcady, 1997), L'ÉCOLE DE LA CHAIR (Benoît Jacquot, 1998) et LE DERRIÈRE (Valérie Lemercier, 1999). Elle joue régulièrement sur scène, notamment « Hamlet » monté par Patrice Chéreau, puis se lance dans la mise en scène de théâtre et d'opéra (« Le Dialogue des carmélites », « Don Giovanni »), et joue à Broadway « Jugement à Nuremberg » (2001). Elle réapparaît activement sur les écrans, dans des œuvres nerveuses signées de jeunes réalisateurs : UV (Gilles Paquet-Brenner), CHRYSALIS (Julien Leclercq, photo) et CORTEX (Nicolas Boukhrief), et elle s'amuse dans BOUQUET FINAL (Michel Delgado) (2007-2008). Le petit écran ne la lâche pas (LE LIEN, Denis Malleval, LA PROPHÉTIE D'AVIGNON, David Delrieux, LE SANGLOT DES ANGES, Jacques Otmezguine, 2007-2008). Clint Eastwood la réclame pour son drame ésotérique AU-DELÀ, Bouli Lanners l’invite à accueillir LES GÉANTS, et elle porte le premier long de Louis-Do de Lencquesaing (AU GALOP), et le retour à Ibiza de Barbet Schroeder (AMNESIA) (2010-2015).
