Kilencgyermekes budapesti szociáldemokrata munkáscsaládból származott, munka mellett szerzett gyors- és gépírói, majd könyvelői képesítést, németül és angolul tanult. 1917-től a Magyarországi Magántisztviselők Országos Szövetsége női tagozatának volt a titkára, és belépett a Magyarországi Szociáldemokrata Pártba (MSZDP, 1939-től SZDP). Az 1918-as őszirózsás forradalmat üdvözölte, de a Tanácsköztársaságot elutasította. A kommün bukása után, 1919 októberében bekerült az MSZDP Központi Nőszervező Bizottságába, 1920-tól a Nőmunkás című lap munkatársa, 1926-tól a folyóirat 1938-as betiltásáig annak felelős szerkesztője és kiadója volt, és rendszeresen publikált a párt napilapjában, a Népszavában.
1922 és 1948 között a pártvezetés tagja és országgyűlési képviselő volt. 1944-ig több mint ezer alkalommal szólalt fel a törvényhozásban, meggyőző fellépésével tekintélyt és befolyást vívott ki magának, Schlachta Margit mellett róla is azt mondták: "egyetlen férfi van a parlamentben - az is nő". Az 1930-as évek második felétől fellépett a német orientáció, a szélsőjobboldali törekvések, a zsidótörvények ellen. A második világháború idején elutasította a kommunisták népfrontpolitikáját, az MSZDP és a polgári ellenzék összefogását szorgalmazta. Az ország 1944. március 19-i német megszállása után illegalitásba vonult, a nyilas hatalomátvételt követően egy Nógrád megyei faluban bujkált.
1945 februárjában a Világosság című szociáldemokrata folyóirat felelős szerkesztője lett, 1945 novembere és 1947 júliusa között a Nemzetgyűlés, 1947 szeptembere és 1948 februárja között az Országgyűlés alelnöke volt. Az SZDP egyik legnagyobb tekintélyű vezetőjeként a pártegység megőrzése érdekében centrumpolitikát folytatott, célja a politikai szabadság, a többpárti parlamenti demokrácia és pártja önálló arculatának megőrzése volt.
A kommunistákkal való egyesülést elvi alapokon ellenző Kéthlyt 1948. február 18-án puccsszerűen kizárták a pártvezetőségből, majd március 7-én a pártból is. Visszavonult a politikától és a közélettől, de a letartóztatást így sem kerülhette el. A kommunista titkosrendőrség 1950. június 9-én letartóztatta, évekig ítélet nélkül tartották fogva, majd 1954. január 20-án zárt tárgyaláson, koholt vádak alapján a Népköztársaság megdöntésére irányuló szervezkedésért és kémkedésért életfogytig tartó szabadságvesztésre és teljes vagyonelkobzásra ítélték. A nemzetközi tiltakozás, főleg a brit Munkáspárt nyomására november 19-én egyéni kegyelemmel szabadult, de rendőri felügyelet alatt maradt.
Az 1956-os forradalom idején megválasztották az újjászervezett szociáldemokrata párt elnökének. November 1-jén a Szocialista Internacionálé bécsi ülésére utazott, másnap - távollétében - kinevezték a Nagy Imre-kormány államminiszterének. A november 4-i szovjet intervenció miatt kétszer is sikertelenül próbált hazatérni, s emigrációba kényszerült. Belgiumban telepedett le, ahol a Szabad Szakszervezetek Nemzetközi Szövetségének Szolidaritási Alapjától kapott segélyekből élt szerényen. 1958-tól az SZDP emigráns szervezetének volt az elnöke. Sokat tett 1956 szellemének ébren tartásáért, az emigránsok befogadásáért, részt vett az ENSZ magyar bizottsága jelentésének elkészítésében. Utazásai során mindenhol fellépett a kommunista elnyomás ellen és Magyarország szabadságának visszaszerzéséért. 1957-1963 között ő szerkesztette a Londonban kiadott Népszavát, 1970-től 1973-ig a Szociáldemokrata Szemle alapító szerkesztője volt. 1973-ban az ő vezetésével dolgozták ki a Szociáldemokrata Alternatívát, az emigráns szociáldemokrata párt új programját.
1976. szeptember 7-én hunyt el a belgiumi Blankenbergében. Hamvait 1990 októberében hazahozták, és november 3-án a Rákoskeresztúri új köztemető 301-es parcellájában helyezték örök nyugalomra. 1994. július 7-én jogilag rehabilitálták, egykori Pozsonyi úti lakóháza falán emléktáblát helyeztek el. Életéről szól Mészáros Márta Utolsó jelentés Annáról című filmje (2009), amelyben a múlt század legtekintélyesebb magyar női politikusát Eszenyi Enikő alakította. Budapesten, az Erzsébetvárosban tér viseli nevét.