Marthe Keller nasceu em 28 de janeiro de 1945 em Basileia, na Suíça. Ela estudou balé quando criança, mas parou depois de um acidente de esqui aos 16 anos. Ela mudou de atuação e trabalhou em Berlim no Schiller Theater e no Berliner Ensemble.
As primeiras aparições cinematográficas de Keller foram em Funeral in Berlin (1966) (não creditado) e no filme alemão Wild Rider Ltd. (1967). Ela apareceu em uma série de filmes franceses na década de 1970, incluindo A Loser (1972), The Right of the Madest (1973) e And Now My Love (1974). Suas mais famosas aparições no cinema americano são sua performance indicada ao Globo de Ouro como a namorada de Dustin Hoffman em Marathon Man (1976) e sua performance como uma terrorista árabe que lidera um ataque ao Super Bowl no Black Sunday (1977). Keller também atuou com William Holden no drama de Fedora (1978), de Billy Wilder. Ela apareceu ao lado de Al Pacino no filme automobilístico Bobby Deerfield (1977). Seus filmes posteriores incluíram Dark Eyes (1987), com Marcello Mastroianni.
Keller apareceu na Europa e na América em peças de teatro, dirigiu ópera e como orador em música clássica nos últimos vinte anos. Por exemplo, em 2001, Keller apareceu em uma adaptação para a Broadway da peça "Judgement at Nuremberg", de Abby Mann, como Mrs. Bertholt (o papel desempenhado por Marlene Dietrich na versão cinematográfica de 1961 de Stanley Kramer). Ela foi nomeada para um Tony Award como Melhor Atriz em Destaque por essa performance.
Além de seu trabalho em cinema e teatro, Keller desenvolveu uma carreira em música clássica como orador e diretor de ópera. Ela executou o papel de falar de Joana d'Arc no oratório "Jeanne d'Arc au Búrcher de Arthur Honegger" em várias ocasiões, com maestros como Seiji Ozawa e Kurt Masur. Ela gravou o papel de Deutsche Grammophon com Ozawa (DG 429 412-2). Keller também recitou o papel falado em Perséphone, de Igor Stravinsky. Ela realizou melodramas de música clássica para orador e piano em recital. O compositor suíço Michael Jarrell escreveu o melodrama "Cassandre", depois do romance de Christa Wolf, para Keller, que estreou mundialmente em 1994.
A primeira produção de Keller como diretor de ópera foi "Dialogues des Carmélites", para a Opéra National du Rhin, em 1999. Essa produção subseqüentemente recebeu uma apresentação semi-encenada em Londres naquele ano. Ela também dirigiu "Lucia di Lammermoor" para a Ópera Nacional de Washington e para a Ópera de Los Angeles. Sua estréia como diretora no Metropolitan Opera foi em uma produção de 2004 de "Don Giovanni". Keller tem um filho, Alexandre (nascido em 1971), de seu relacionamento com o diretor Philippe de Broca.
