A primeira vez que o seu nome foi mencionado no mundo inteiro foi quando foi revelado (um segredo do diretor George Lucas) que ela interpretou o papel de Natalie Portman em Star Wars Episode I: The Phantom Menace (br/pt: Star Wars: Episodio I: A Ameaça Fantasma) devido às semelhanças entre as duas atrizes.
Entrou em outros filmes como Thunderpants e Pure, mas em 2003 entrou numa grande produção de Jerry Bruckheimer, Pirates of the Caribbean: The Curse of the Black Pearl (br: Piratas do Caribe - A Maldição do Pérola Negra; pt: Piratas das Caraíbas - A Maldição do Pérola Negra), onde interpretou Elizabeth Swann, pelo qual ficou famosa mundialmente. As filmagens duraram desde outubro de 2002 até março de 2003 e nunca pensaram que o filme seria um sucesso. Mais tarde decidiram criar mais dois filmes onde Keira voltou com a sua personagem Elizabeth Swann em Pirates of the Caribbean: Dead Man's Chest (2006) e Pirates of the Caribbean: At World's End (br: Piratas do Caribe - No Fim do Mundo; pt: Piratas das Caraíbas - Nos Confins do Mundo). Entre os filmes dos piratas também estrelou em Love Actually (br: Simplesmente Amor; pt: O Amor Acontece; 2003), King Arthur (Rei Arthur, 2004), The Jacket (br: Camisa de Força; pt: Colete de Forças, 2005), Pride and Prejudice (Orgulho e Preconceito, 2005) e Domino (2005). Também apareceu nos filmes Silk (Paixão Proibida), Atonement (br: Desejo e Reparação; pt: Expiação), The Edge of Love (br: O Limite do Amor; pt: No Limite do Amor) e The Duchess (A Duquesa).
Em Dezembro de 2012,ela confirmou sua presença no quinto filme de 'Pirates of the Caribbean',que será lançado em 2015.