Les Black Keys se sont formés en 2001 à Akron (Ohio) sous l’impulsion de Dan Auerbach (guitare, chant) et Patrick Carney (batterie, production). Leur nom provient de l’artiste originaire de leur ville natale Alfred McMoore. Le 20 mai 2002, le duo sort son premier opus The Big Come Up chez Alive Records. Ce disque est enregistré dans la cave de Patrick Carney sur un 8 pistes datant du début des années 80.

Les Black Keys s’enferment à nouveau dans cette cave pour enregistrer leur deuxième album. L’enregistrement ne dure que 14 heures. Thickfreakness paraît le 8 avril 2003 chez le label Fat Possum. Le 16 septembre 2003, le duo livre un split EP en compagnie du groupe The Six Parts Seven.

Le 7 septembre 2004, les Black Keys signent leur troisième album Rubber Factory. L’enregistrement a lieu cette fois-ci dans une usine désaffectée à Akron (Ohio). Ce troisième opus confère au duo une soudaine notoriété. Il assure alors des premières parties pour Sleater-Kinney, Beck, Pearl Jam ou encore Radiohead. De leur tournée, les Black Keys rapportent en 2005 l’album Live enregistré lors de leur passage au Metro Theatre de Sydney (Australie) le 18 mars 2005.

En mai 2006, le duo livre l’EP Chulahoma: The Songs of Junior Kimbrough composé de reprises de Junior Kimbrough. Le 12 septembre 2006, il sort son quatrième opus Magic Potion chez Nonesuch Records.

Le 1er avril 2008, les Black Keys reviennent avec leur cinquième album Attack & Release produit par Danger Mouse (Gorillaz, The Rapture, Sparklehorse). Ce disque démarre à la 14ème place du Billboard. En novembre 2008, le duo sort le Live at the Crystal Ballroom enregistré à Portland (Oregon) le 4 avril 2008.

Le 17 octobre 2008, les Black Keys assurent la première partie de Devo à Akron (Ohio) lors d’un concert de soutien à Barack Obama pendant la campagne électorale des élections présidentielles américaines. En juin 2009, le duo part en tournée en Europe en compagnie du songwriter australien Liam Finn. Il s’adonne ensuite à des projets parallèles.

Le 10 février 2009, Dan Auerbach sort son premier album solo Keep It Hid. De son côté, Patrick Carney fonde le groupe Drummer. Cette formation livre son premier opus Feel Good Together le 29 septembre 2009. Dans la foulée, le duo se retrouve pour sortir l’album Blakroc le 27 novembre 2009. Ce disque est enregistré en collaboration avec les rappeurs Mos Def, RZA, Q-Tip, Jim Jones, Ol’ Dirty Bastard, Raekwon, M.O.P. ou encore Ludacris.

Le 10 mai 2010, les Black Keys signent leur sixième opus Brothers. Ce disque se place directement à la troisième place du Billboard en s’écoulant à 73 000 exemplaires dès la première semaine de sa sortie. Le 19 octobre 2010, le duo enregistre une iTunes Sessions distribuée uniquement sur la plateforme de téléchargements. En février 2011, les Black Keys remportent les Grammy Awards de la meilleure performance rock instrumentale pour "Black Mud" et de la meilleure chanson rock pour "Tighten Up".

En mars 2011, les Black Keys débutent l’enregistrement de leur nouvel album dans les nouveaux studios Easy Eye Sound de Dan Auerbach à Nashville (Tennessee). Le 5 décembre 2011, ils livrent leur septième opus El Camino. Ce disque se classe directement à la deuxième place du Billboard américain en s’écoulant à 206 000 exemplaires la première semaine. Il devient disque d’or en France.

En 2013, les Black Keys reçoivent trois Grammy Awards dans les catégories "meilleur album rock", "meilleure chanson rock" et "meilleure performance rock" pour leur single "Lonely Boy". En juillet et août 2013, le duo entame l’enregistrement d’un nouvel opus au studio Sunset Sound à Hollywood (Californie). Ces sessions se poursuivent début 2014 au Key Club de Benton Harbor (Michigan) et au Easy Eye Sound de Nashville (Tennessee). Le 12 mai 2014, les Black Keys proposent leur huitième album Turn Blue co-produit avec Danger Mouse. Ce disque se classe au sommet du Billboard américain, une première pour le duo.

Les Black Keys partent en tournée en compagnie de Cage the Elephant, Jake Bugg et St. Vincent. Ils sont forcés d’annuler quelques concerts suite à une blessure à l’épaule contractée par Patrick Carney lors de ses vacances à Saint Barthélémy en janvier 2015. La tournée s’achève en aout 2015 et le duo se met en pause. Dan Auerbach monte alors le projet The Arcs et sort l’album Yours, Dreamily (2015). Il livre en solo l’album Waiting on a Song en 2017. Parallèlement, Patrick Carney produit des albums pour The Pretenders, A$AP Rocky, Jake Bugg, Tobias Jesso, Jr., Karen Elson et Michelle Branch. Il épouse cette dernière en avril 2019.

Le 16 mai 2019, les Black Keys reviennent avec leur neuvième album Let’s Rock qu’ils produisent eux-même. Le 14 mai 2021, ils proposent l’album de reprises blues Delta Kream.