Az ifjú színésznő középosztálybeli angol családból származik. Keira édesapja, Will Knightley és édesanyja, Sharman Macdonald ismerősen mozogtak a színház világában. Édesanyja ugyanis az Edinburghi Egyetem színi karára járt, majd 1972-től, az iskola befejezése után színésznőként dolgozott, este pedig go-go táncosnőként kereste kenyerét. Szűnni nem akaró lámpaláza miatt azonban úgy döntött, hogy feladja ama próbálkozását, hogy színésznő legyen.
A Will Knightley és Sharman Macdonald nászából két gyerek született, Calec 1979-ben és Keira 1985. március 22-én. Keira édesanyja 1984-ben írta meg első darabját, azóta több elismert színművet publikált, leghíresebb a Winter Guest című. Könyveit is nagy sikerrel árulják könyvesboltokban és az interneten.
Keirát még nagyon fiatal korában édesanyja és édesapja vezette be a színművészet világába, bár már akkor aggódtak azért, hogy jól teszik-e, ha a kislányt a színfalak mögé engedik. Édesanyja leginkább attól féltette Keirát, nehogy megszenvedje a meghallgatások utáni visszautasításokat, bár látja benne a lelkesedést, hogy mennyire imádja, ha színpadon szerepelhet, s ha mindenki csak rá figyel. Végül kötöttek egy megállapodást: Keira csak az iskolai szünidők alatt áldozhatott hobbijának, a színházi fellépéseknek, és csak akkor folytathatta színi tanulmányait, ha bizonyítványa továbbra is kitűnő marad. Csupán 6 éves volt a kis színésznő, amikor már ügynököt szerződtettek mellé, hétévesen pedig megkapta első szerepét szülei egyik színházas barátjától. 1994-ben, amikor Keira csupán 9 éves volt, eljátszotta Natasha Jordan szerepét a The Village Affair című filmben, egy évvel később pedig az Innocent Lies című alkotásban alakította Ceila Graves szerepét.