Knightley har levd det meste av sitt liv i Richmond upon Thames i London hvor hun gikk på skolene Teddington School og Esher College. Hun har dysleksi (lese- og skrivevansker), men da hennes mor lovet henne å få en agent hvis hun øvde på å bli bedre til å lese, begynte hun å vise en forbedring. Hun fikk dermed sin første agent som åtteåring. Knightley har uttalt at hun var «ensporet angående skuespilleri» da hun var i barndommen. Hun deltok i en rekke lokale teaterproduksjoner, blant annet , skrevet av hennes mor, og , skrevet av hennes daværende dramalærer, Ian McShane.