Keul trat 1996 Bündnis 90/Die Grünen bei, trat aber 1999 wegen des Kosovokriegs wieder aus. Keul wurde 2006 erneut Mitglied von Bündnis 90/Die Grünen. Bei der Bundestagswahl 2009 zog sie als Kandidatin über die Landesliste ihrer Partei in Niedersachsen (Platz 5) in den Deutschen Bundestag (17. Wahlperiode) ein. Dort war sie Mitglied des Verteidigungsausschusses und stellvertretendes Mitglied des Rechtsausschusses. Sie war zudem als eine von insgesamt vier Parlamentarischen Geschäftsführern der Fraktion tätig. Auch dem 18. Deutschen Bundestag gehört Katja Keul an. Ihr Mandat erhielt sie als Spitzenkandidatin der niedersächsischen Landesliste ihrer Partei. Seit 2018 ist Keul Mitglied im Gremium nach § 23c Absatz 8 Zollfahndungsdienstgesetz.