Pirates of the Caribbean stjärnan kommer att spela titelrollen i Therese Raquin, baserat på Emile Zolas 1867 klassiker.
Beskrivs som "en berättelse om kärlek, lust, svek och skuld", pjäsen kommer att kasta henne som en ung kvinna fångad i ett kärlekslöst äktenskap som har en affär med en av sin mans vänner.
The Roundabout Theatre Company öppnar i oktober 2015 i New York.
Knightley, som fyller 30 nästa år, trampade tidigare styrelserna i London i Misanthrope och The Children's Hour.
Skådespelerskan har två filmer ut nästa månad i Storbritannien - andra världskriget Två drama Imitation Game och USA komedi Säg när.
Therese Raquin har iscensatts och filmats många gånger, senast som filmen In Secret med Elizabeth Olsen i huvudrollen.
Den nya versionen är av den brittiske dramatikern Helen Edmundson, som tidigare anpassat Tolstoj-romanerna Anna Karenina och Krig och Fred för scenen.
Knightley medverkade i en film av Anna Karenina 2012 och har även medverkat i filmanpassningar av Pride och Prejudice och Ian McEwans försoning.
Therese Raquin börjar förhandsvisningar den 1 oktober och har sin premiär den 29 oktober på en Broadway teater ännu inte tillkännages.
Tidigare i år avslöjade Knightley att hon hade hoppats att ta The Children's Hour till Broadway men kunde inte räkna ut schemaläggningen med medstjärna Elisabeth Moss.
"Vi försökte få det att hända, men vår schemaläggning fungerade inte", berättade hon för Advocate. "Det var synd, för det skulle vara bra att göra det på Broadway."
Den brittiska skådespelerskan Keira Knightley ska göra sin Broadway-debut nästa år i en scenversion av en berömd fransk roman.