Depuis ses débuts, Marthe Keller mène une carrière internationale. Elle commence son parcours d’actrice au Schiller Theater à Berlin. Elle est révélée en France dans les années 1970 avec le feuilleton culte La demoiselle d'Avignon et les films de Philippe De Broca dont Le diable par la queue. Elle a tourné ensuite dans de nombreux films avec Christopher Franck, Claude Lelouch, Benoît Jaquot, Nikita Mikhalkov, Mauro Bolognini. Au théâtre, elle a joué sous la direction de Sami Frey, Philippe Adrien, Michele Marquais, Patrice Chéreau, Jorge Lavelli, Lucian Pintilié, Claus Peymann, Peter Konwincnny. Aux Etats-Unis, elle tourne avec Billy Wilder, John Schlesinger, Clint Eastwood, Sydney Pollack, John Frankenheimer, et elle a pour partenaires Al Pacino (Bobby Deerfield), Dustin Hoffman (Marathon Man), Marlon Brando (Formula). Au Carnegie Hall, elle interprète Jeanne d'Arc de Honegger avec Seiji Ozawa, qu’elle tournera dans le monde entier et pour lequel le New York Times lui attribue le prix de l’actrice de l’année. En 2002, elle est nominée aux Tony Awards pour son rôle dans Judgment at Nuremberg, à Broadway. Egalement metteur en scène d’opéra, elle crée notamment Le dialogue des Carmélites de Francis Poulenc à l’Opéra National du Rhin à Strasbourg en 1999, et Don Giovanni de Mozart au Metropolitan Opera de New York en 2005. Tout dernièrement, elle a joué dans le film Au galop de Louis-Do de Lencquesaing présenté au festival de Cannes 2012, et terminé en juin le tournage de Miserere avec Gérard Depardieu et Joey Starr. En janvier 2012, elle a été nommée Chevalier de la Légion d’honneur