Marthe Keller se forme à l’Opéra de Bâle puis entame une carrière sur les planches en Allemagne entre 1965 et 1968. C’est en France qu’elle fait ses premiers pas d’actrice sur grand écran dans Le Diable par la queue de Philippe de Broca (1969). Tragédienne de formation, Marthe Keller s’illustre dans des comédies au début des années 70 (Les Caprices de Marie de Philippe de Broca, La Vieille Fille de Jean-Pierre Blanc, Elle court, elle court la banlieue de Gérard Pirès, Le Guêpier de Roger Pigaut). Aux côtés de Louis Velle, elle se fait remarquer dans le feuilleton télévisé La Demoiselle d’Avignon (1972).

En 1976, sa carrière prend un nouvel essor lorsqu’elle partage l’affiche de Marathon Man de John Schlesinger avec Dustin Hoffman. Ce rôle lui vaut une nomination au prix de meilleur second rôle féminin aux Golden Globes l’année suivante.

Devenue star internationale, elle est dirigée par de grands réalisateurs : John Frankenheimer (Black Sunday), Sydney Pollack (Bobby Deerfield), Nikita Mikhalkov (Les Yeux noirs). Elle revient régulièrement en France pour le cinéma (Rouge Baiser, L’École de la chair, Cortex, Au galop) ou la télévision (Par amour, La Vie à l’envers).

En 2015, elle est à l’affiche du film de Barbet Schroeder, Amnesia, sélectionné en compétition officielle au Festival de Cannes. En mai 2016, elle est présidente du jury Un certain Regard lors du 69ème Festival de Cannes.

Au début des années 2000, la comédienne se lance dans la mise en scène d’opéra avec Dialogues des carmélites présenté à l’Opéra national du Rhin de Strasbourg. Elle renouvelle l’expérience en 2003 avec Don Giovanni au Metropolitan Opera de New York.