Keira nasce a Londra il 26 marzo 1985, figlia di Will Knightley, attore teatrale e televisivo, e Sharman Macdonald, sceneggiatrice. Ha un fratello maggiore, Caleb, nato nel 1979. Nel 2015, durante un'intervista alla rivista Elle, dichiara che il suo nome doveva essere scritto "Kira" (versione femminile russa del nome "Ciro"), in onore della pattinatrice russa Kira Ivanova di cui suo padre era ammiratore, ma la madre lo registrò nella forma "Keira" in occasione della sua nascita. Keira comincia in tenera età ad avere interesse per la recitazione. Si ritrova a combattere la dislessia di cui è affetta. Ha dichiarato che da adolescente ha dovuto indossare degli occhiali speciali che la aiutassero nella lettura e ha anche confessato di aver studiato i libri a memoria ascoltando le registrazioni in modo da risultare preparata mentre leggeva.

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