Keren Ann est née à Césarée. Elle vit aux Pays-Bas jusqu’à l’âge de 11 ans avant de s’installer en France, tout en conservant la nationalité néerlandaise. Elle se fait naturaliser française en 2012. Elle parle couramment hébreu, anglais, néerlandais et français.
Alors âgée de 21 ans en 1995, elle est figurante dans le clip « Mets un peu de musique » des Jumelles (Christine et Stéphanie Ever, Suzie et Suzon dans Premiers Baisers / Les Années Fac) pour AB Productions. En 1997, elle joue le rôle de Judith, un agent du Mossad, dans le film K, d’Alexandre Arcady, dont elle interprète également la chanson du générique de fin.
En 1998, elle participe à l’aventure du groupe Shelby (composé aussi de Karen Brunon), couronné d’un discret succès en particulier grâce au titre 1+1. Elle entame par la suite une carrière solo, marquée en 2000 par la sortie de son premier album, La Biographie de Luka Philipsen, écrit en collaboration avec Benjamin Biolay. Les deux complices écrivent la même année un album pour Henri Salvador, Chambre avec vue, qui remporte deux Victoires de la musique en 2001 et porte leurs noms à la connaissance du grand public.
Keren Ann a commencé à se produire sur scène, où elle assure les premières parties de -M- ou Suzanne Vega, une influence assumée. Elle se produit aussi seule sur les scènes du Bataclan et de L’Européen. En 2002, Keren Ann sort son deuxième album, La Disparition. Au cours d’une longue tournée, elle fait son premier Olympia en tête d’affiche et confirme sa personnalité et son talent. Cet album connaît un joli succès, puisqu’il s’écoule à 60 000 exemplaires en France. On y retrouve les titres Au coin du monde, Ailleurs et La corde et les chaussons. Elle est nommée dans la catégorie artiste féminine de l’année aux Victoires de la musique 2003.
Un troisième album, entièrement en anglais, intitulé Not Going Anywhere, sort en . Il reprend quelques titres de La Disparition en version anglaise, ainsi que des nouvelles chansons. L’album connaît également un bon succès en s’écoulant à un peu plus de 40 000 exemplaires dans l’Hexagone. Keren Ann est nommée en 2004 aux Victoires de la musique dans la catégorie artiste féminine de l’année. En 2003, sort le projet Lady and Bird, où Keren Ann est « Lady » et Barði Jóhannsson, du groupe islandais Bang Gang, « Bird ». La promotion est assurée de façon très ludique, Keren Ann dévoilant un côté espiègle et enfantin.
En sort son quatrième album, Nolita, dont le nom vient du quartier de New York où elle l’a écrit. La tonalité de l’album est variée, la voix de Keren dévoile un peu plus sa fragilité, aux accents sombres voire désabusés. Keren Ann entame en une tournée en France et aux États-Unis avec la chanteuse norvégienne Ane Brun en première partie, en passant par la Cigale le 25 avril et l’Olympia le 3 octobre. Elle est nommée en 2005 aux Victoires de la musique, une nouvelle fois dans la catégorie « artiste féminine de l’année ». L’album est encensé par les critiques mais seulement 20 000 exemplaires sont écoulés par le public français.
La sortie d’un DVD live (reprenant le concert au Cirque Royal à Bruxelles) est annoncée officiellement sur le site de la maison de disques de la chanteuse, mais n’est finalement pas concrétisée, sans raison particulière.
En 2006, elle enregistre un nouvel album entièrement chanté en anglais, d’une sonorité légèrement plus rock que les précédents. Il sort le . Keren Ann part ensuite pour une tournée qui passe par L’Olympia. L’album reçoit un bon accueil critique et connaît dès sa sortie un joli succès puisqu’il se vend à 45 000 exemplaires en France. Trois singles en sont issus : Lay Your Head Down (qui bénéficie d’un clip tourné à la Mer Morte), le très rock It Ain’t No Crime et In Your Back. Keren Ann reprend sa tournée en novembre 2007, et passe notamment par la France et les États-Unis.
En février 2011, Keren Ann sort un nouvel album nommé 101, chiffre très symbolique pour la chanteuse, l’ayant suivi tout au long de sa vie sous différentes formes. Le premier single, My name is trouble, accompagné de son clip très esthétique, est le premier single de Keren Ann à se classer dans le Top 100 en France (no 68), étant bien accueilli par les différentes radios.
Le 21 juillet 2012, elle donne naissance à son premier enfant, une fille prénommée Nico. Le 2 janvier 2013 sort sur les écrans français le film Yossi du réalisateur israélien Eytan Fox qui utilise de nombreuses chansons de Keren Ann pour sa bande-originale musicale. La chanteuse y apparaît également lors d’une scène où elle se produit en concert en reprenant d’anciennes chansons israéliennes. En décembre 2014, elle ouvre une page sur le site de Pledge music pour proposer à son public de prendre part au financement de son nouveau disque sans intermédiaire. En janvier 2016, Polydor annonce qu’Ann vient de signer avec eux pour la distribution de son album You’re Gonna Get Love. L’album sort le 25 mars 2016 et est inspiré par la naissance de sa fille Nico et le décès de son père avec le titre Where Did You GO.
Lors de la campagne pour l’élection présidentielle de 2017, elle participe à un meeting de soutien au candidat En marche ! Emmanuel Macron, le 17 avril à Bercy.