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Née en Suisse, Marthe Keller se destine à une carrière de danseuse mais un accident de ski y met fin à l'âge de 16 ans. Elle s'oriente ensuite vers le théâtre et fait ses débuts à Berlin (Schillertheater et Berliner Ensemble). Dans les années 70, elle apparaît dans plusieurs films français : Le Diable par la queue (1971) de Philippe de Broca, Elle court, elle court la banlieue (1973) de Gérard Pirès et Toute une vie (1974) de Claude Lelouche. Elle a également joué dans des films américains : Marathon Man aux côtés de Dustin Hoffman, pour lequel elle a été nominée pour un Golden Globe, Black Sunday de John Frankenheimer avec Robert Shaw, Fedora de Billy Wilder avec William Holden, Bobby Deerfield avec Al Pacino et The Formula avec Marlon. Brando.

Elle a été nominée pour un Tony Award de la meilleure actrice pour sa performance dans la pièce d’Abby Mann, Judgment at Nuremberg à Broadway, pour le rôle de Mme Bertholt.

Outre ses activités théâtrales, Marthe Keller mène également une carrière réussie dans le monde de la musique classique en tant que narratrice et metteuse en scène. Elle interprète Jeanne d’Arc dans Jeanne d’Arc au bûcher, l’oratorio d’Arthur Honegger, mis en scène notamment par Seiji Ozawa et Kurt Masur.

En 1994, le compositeur Michael Jarrell écrit pour elle le mélodrame Cassandre, tiré du livre de Christa Wolf, joué au Théâtre du Châtelet.

En 1999, elle met en scène pour l'Opéra National du Rhin sa première pièce avec Dialogues des carmélites. Elle a également dirigé Lucia di Lammermoor à Washington et Los Angeles, et Don Giovanni au Metropolitan Opera de New York.

Au cinéma, Marthe Keller a connu une série de succès en France et à l'étranger notamment avec Les Yeux Noirs de Nikita Mikhailkov, Au-delà (2010) de Clint Eastwood, Cortex de Nicolas Boukhrief, Les Géants de Bouli Lanners, Au Galop de Louis-Do de Lencquesaing, Amnesia de Barbet Schroeder et Homo Faber de Richard Dindo.

En 2016, elle a joué dans le film de Joachim Lafosse L’Economie du Couple.

En 2018, elle rejoint le casting de la nouvelle série The Romanoffs créée et réalisée par Matthew Weiner, et a joué dans le premier épisode.

En 2019, elle a joué dans The Witness de Mitko Panov, Miséricorde de Fluvio Bernasconi et L'Ordre des médecins de David Roux. Elle a également travaillé aux côtés de Julianne Moore dans le court métrage The Staggering Girl de Luca Guadagnino.

Elle sera ensuite vue dans Petite sœur, de Stephanie Chuat et Véronique Reymond, mais aussi dans le film La sainte Famille de Louis Do Lencqueseing et Dévoilés de Jacob Berger.