کیرا کریستینا نایتلی ۲۶ مارس ۱۹۸۵ در حومهٔ تدینگتون لندن به دنیا آمد و والدینش ویل نایتلی و شارمن مک‌دونالد هر دو بازیگر هستند. قرار بود نام او را «Kiera» از کیرا ایوانوا که پدرش آن را تحسین می‌کرد بگذارند؛ با این حال، مادرش هنگام ثبت شناسنامه نام را اشتباه نوشت و به‌جای واژهٔ i، واژهٔ e ثبت شد. پدرش انگلیسی و مادرش اسکاتلندی و ولزی‌تبار است. نایتلی یک برادر بزرگتر دارد. مک‌دونالد پس از پایان دوران بازیگری‌اش به‌عنوان نمایشنامه‌نویس مشغول به کار شد. والدین نایتلی پس از تولد برادرش با مشکلات مالی قابل توجهی مواجه شدند. پدرش که یک هنرپیشه «عادی» بود، تنها در صورتی با فرزند دوم موافقت کرد که مادرش ابتدا فیلم‌نامه‌ای را بفروشد. با این حال، مراتب مختلف موفقیت والدینش مانع کنجکاوی نایتلی در مورد این حرفه نشد. مک‌دونالد بچه‌هایش را خیلی زود با تئاتر و باله آشنا کرد. این امر باعث علاقه نایتلی به بازیگری شد.
نایتلی در مدرسه تدینگتون به تحصیل پرداخت. او در شش سالگی به دیسلکسیا مبتلا شد، اما می‌گوید که در یازده سالگی، با حمایت والدینش، «آنها تصور می‌کردند که به اندازه کافی بر آن غلبه کرده‌ام.» او هنوز هم کندخوان است و نمی‌تواند با صدای بلند بخواند. نایتلی گفته‌است که «فقط در مورد بازیگری فکر می‌کند.» او در سه سالگی درخواست کرد تا مانند پدر و مادرش مدیر برنامه‌ای داشته باشد و در شش سالگی صاحب آن شد. این امر باعث شد که او شماری از نقش کوتاه را در درام‌های تلویزیونی بازی کند. او در تعدادی از محصولات آماتور محلی بازی کرد؛ از جمله نمایش بعد از ژولیت نوشتهٔ مادرش، و ایالات متحده نوشته معلم نمایش او. نایتلی شروع به تحصیل در سطح A کالج اشر کرد، اما پس از یک سال آن را رها کرد تا حرفهٔ بازیگری را دنبال کند. دوستان مادرش او را تشویق کردند که به مدرسه نمایش برود، که او به دلایل مالی و شغلی آن را رد کرد.