Knightley comenzó a estudiar sus A-Levels en Esher College, pero se fue después de un año para seguir una carrera como actriz.

[18]​ Al mismo tiempo, apareció en The Hole, un thriller que recibió un lanzamiento directo a video en los Estados Unidos.

[24]​ La película sorprendió a los críticos que elogiaron su naturaleza «encantadora» e «inspiradora», su contexto social y las actuaciones del elenco.

[43]​ El único estreno de Knightley en 2004 fue la película histórica King Arthur, donde interpretó a Ginebra, una reina guerrera y esposa del personaje principal.

[48]​ Knightley apareció en tres películas en 2005, la primera de las cuales fue el thriller psicológico The Jacket, coprotagonizada por Adrien Brody.

[52]​ El director Joe Wright eligió a Knightley por su naturaleza marimacho combinada con una «mente viva» y sentido del humor.

Las dos secuelas fueron concebidas en 2004, con los guionistas Ted Elliott y Terry Rossio desarrollando un arco narrativo que abarcaría ambas películas.

[61]​ Las entregas de la secuela permitieron a Knightley estudiar lucha con espadas, algo que había intentado hacer desde la primera película.

[62]​ La tercera entrega de la serie, Pirates of the Caribbean: At World's End, se estrenó en mayo del año siguiente.

[71]​ El crítico Richard Roeper, quien pensó que el dúo principal era «excelente» en sus respectivos papeles, estaba desconcertado por no haber recibido nominaciones al Premio de la Academia.

Knightley inicialmente se sintió avergonzada de hacerlo, diciendo que «[sacudió] como una hoja», pero finalmente siguió adelante con el plan.

[80]​ El guion que le enviaron a Knightley estaba cubierto con «enormes plumas blancas de avestruz» y una cinta dorada.

Protagonizada por Knightley, Damian Lewis, Tara Fitzgerald, y Dominic Rowan, la obra se representó en el Comedy Theatre en diciembre de 2009.

[97]​ Ben Brantley de The New York Times comentó que su actuación mostró una «intensidad» y una «fiereza creíble» dentro del material obsoleto.

Knightley interpretó a Spielrein, la joven psicoanalista problemática pero hermosa que se interpone entre Jung y Freud.

[103]​[104]​ Más tarde ese año, se reunió con el director Joe Wright para filmar su tercera producción, Anna Karenina, en la que interpretó al personaje principal.

Knightley interpretó a la criptoanalista y numismática Joan Clarke, quien descifró los códigos de inteligencia alemanes para el gobierno británico durante la Segunda Guerra Mundial con Turing.

[127]​ Variety escribió que Knightley hizo una «actuación profundamente sentida» como una mujer «atormentada por la posibilidad» de perder a su cónyuge.

[132]​ Knightley apareció en el drama coral Collateral Beauty (2016), junto a Will Smith, Edward Norton, Kate Winslet y Helen Mirren.

[138]​ Knightley creía que la película estaba fuertemente conectada con el feminismo moderno y describía el cambio cultural en la política de género.

[146]​[147]​ Knightley interpretó a Rachel, una esposa del ejército británico «fría y compleja» traumatizada por la muerte de su hijo por una bomba alemana.

[147]​[149]​[150]​ Ty Burr de The Boston Globe le dio crédito a Knightley por agregar «convicción, gracia, corazón y nervios» a la película,[149]​ mientras que Katie Walsh de Los Angeles Times sintió que Knightley y Skarsgård eran demasiado reservados.

[153]​ Escribiendo para The Guardian, Peter Bradshaw elogió la «actuación enfocada, plausible y comprensiva» de Knightley.

[163]​ Knightley expresó el papel principal en la película animada dramática Charlotte, una historia real sobre un joven artista durante el Holocausto.

[167]​ Escribiendo para The New York Times, Jesse McKinley declaró que Knightley es «conocida por su habilidad para brillar y encantar en varios acentos», mientras que su coprotagonista de Thérèse Raquin, Judith Light, elogió su «comportamiento realista, inteligencia y sentido del humor».

[170]​ El escrutinio de los medios disminuyó a medida que avanzaba su carrera y espacia sus apariciones públicas para mantener la atención en sus películas.

[185]​ Después del nacimiento de su primera hija, escribió un ensayo sobre el parto, titulado «El sexo débil», incluido en la colección Feminists Don't Wear Pink and Other Lies.

[186]​ Knightley no filma escenas de desnudos para sus películas, a menos que sea dirigida por una cineasta.

[190]​ El vestido que usó en los Premios Óscar de 2006 fue donado a la organización benéfica Oxfam, donde recaudó 4300 libras esterlinas.

[191]​ En abril de 2009, Knightley apareció en un video para generar conciencia sobre el abuso doméstico titulado Cut dirigido por Women's Aid.