Marthe Keller fue nominada a un Globo de Oro a la Mejor Actriz de Reparto por su trabajo en la exitosa "Marathon Man". Entre sus películas en EE.UU. posteriores destacan "Un instante, una vida", con Al Pacino; "Domingo negro", de John Frankenheimer, con Robert Shaw; "Fedora", de Billy Wilder, con William Holden; y "Ojos negros", con Marcello Mastroianni. Más recientemente ha aparecido en las cintas internacionales "Bouquet final", "Cortex", "Chrysalis" y "UV", además de en varias miniseries francesas y telefilms.

Keller ha trabajado también en numerosas obras de teatro tanto en Europa como en Estados Unidos y fue nominada a un Tony por su interpretación de la señora Bertholt en la adaptación para Broadway de "Judgment at Nuremberg", de Abby Mann, en 2001.

Su carrera musical tiene dos vertientes. Ha participado en producciones musicales clásicas como en el papel de Juana de Arco en el oratorio "Jeanne d'Arc au Bûcher of Arthur Honegger" en varias ocasiones, con directores de orquesta como Seiji Ozawa y Kurt Masur. También ha grabado ese mismo papel para la Deutsche Grammophon con Ozawa. Keller ha recitado además la parte hablada de la "Perséfone" de Igor Stravinsky. Por otra parte, el compositor Michael Jarrell escribió el melodrama "Cassandre", basado en la novela de Christa Wolf, para Keller, que lo estrenó en todo el mundo en 1994.

Keller es también directora de ópera, faceta en la que destaca su debut con "Diálogos de Carmelitas" para la Ópera Nacional del Rin 1999. A esta producción le siguió una interpretación semi-teatralizada en Londres ese mismo año. También ha dirigido "Lucia di Lammermoor" para la Ópera Nacional de Opera y para la Ópera de los Ángeles. Su debut como directora en el Metropolitan le llegó con una producción de 2004 de "Don Giovanni".

Los primeros trabajos en cine de Keller fueron en "Funeral en Berlín" y en la película alemana "Wilder Reiter GmbH.". Protagonizó una serie de películas francesas en la década de los 70 entre las que destacan "A Loser", "La razón del más loco" y "Toda una vida".