Das Malen auf mit Leinwand bespannten Holzrahmen entwickelte sich im Spätmittelalter und löste nach und nach den bis dato üblichen Gebrauch von massiven Holztafeln ab. Besonders bei großen Bildformaten bewährte sich das geringe Gewicht der stoffbespannten Holzkonstruktion. Die Bespannung bestand ursprünglich aus Leinengewebe, genauer aus dem Flachs der Leinpflanze, die dann zur Namensgeberin der Leinwand wurde.
Ein moderner Keilrahmen besteht aus vier Holzleisten, deren Enden so geschlitzt und gezapft sind, dass sie sich im 90° Winkel zusammenstecken lassen. Das Besondere daran ist, dass die Eckverbindung weder mit Leim noch mit Nägeln fixiert wird. Die Stabilität des Rahmens entsteht erst durch das Aufspannen und Befestigen der Leinwand. Sollte die Leinwand mit der Zeit an Spannung verlieren, wird der Rahmen ausgekeilt, das heißt, es werden acht Holzkeile von innen in die Ecken getrieben, sodass sich das Außenmaß des Rahmens und damit die Spannung des Maltuchs vergrößert.
Das Auskeilen soll nicht dazu dienen, eine misslungene, zu schlaffe Bespannung zu korrigieren, sondern Spannungsveränderungen durch veränderte Luftfeuchtigkeit und Temperatur auszugleichen. Das ist oft erst nach Jahren nötig. Zu starkes Auskeilen verursacht Risse, weil Grundierung und Farbschicht, wenn sie getrocknet sind, der Bewegung der Leinwand beim Keilen nicht mehr folgen können. Mit ungrundierter Leinwand bespannte Keilrahmen sollten frühestens nach dem Grundieren ausgekeilt werden, denn Naturgewebe wie Leinen oder Baumwolle ziehen sich zusammen, wenn sie feucht werden. Beim Bespannen eines Keilrahmens mit ungrundiertem Gewebe sollte dieses zunächst etwas lockerer gespannt werden, damit sich der Keilrahmen beim Schrumpfen des Gewebes nicht verzieht.
Zwei der Hauptmaterialien, die sich als Leinwandgewebe eignen, sind Leinen und Baumwolle. Leinen zeichnet sich als Bildträger besonders durch seine Zugfestigkeit und Stabilität aus. Es eignet sich dadurch vor allem für größere Keilrahmen-Formate oder als Untergrund für schwere Farbschichten. Baumwolle ist wesentlich günstiger als Leinen, schrumpft allerdings stärker und ist nicht ganz so reißfest. Dünnes, feines Baumwollgewebe eignet sich eher für kleine Bildformate und beim Grundieren ist Vorsicht geboten, da ein Durchschlagen der Grundierfarbe auf die Geweberückseite möglich ist.
Die ideale Webart für Leinwandstoffe ist die Leinenbindung, bei der ein Schussfaden einen Kettfaden kreuzt, so dass ein regelmäßiges Kreuzmuster entsteht. Dieses Gewebe verzieht sich gleichmäßig, wenn es beim Grundieren Feuchtigkeit aufnimmt. Im Vergleich dazu ist ein Gewebe in diagonal gewebter Köperbindung weit schwieriger aufzuziehen und verzieht sich beim Grundieren stärker in eine Richtung.
Das Bespannen eines Keilrahmens erfordert anfangs etwas Übung. Das zugeschnittene (ungrundierte oder schon grundierte) Maltuch wird so unter den Rahmen gelegt, dass die Kett- und Schussfäden des Gewebes parallel zu den Rahmenkanten verlaufen. Gespannt wird dann in der Regel von der Mitte der Leisten zu den Rändern hin und zwar immer so, dass nach dem Befestigen eines Punktes der gleiche Punkt auf der gegenüberliegenden Leiste unter Spannung des Gewebes fixiert wird. Dabei erleichtert eine Spannzange das Ziehen des Stoffes. Zum Befestigen des Maltuchs eignen sich kleine Polsternägel mit flachen Köpfen, aber auch Tackerklammern, die mit einem Hand- oder Elektrotacker eingeschossen werden.
Hat man den Keilrahmen mit ungrundierter Leinwand bespannt, muss diese vor dem Bemalen z.B. mit Gesso grundiert werden. Eine gute Grundierung sorgt dafür, dass der poröse, stark saugende und viel Farbe schluckende Untergrund undurchlässig gemacht und verfestigt wird. Besonders bei der Ölmalerei verhindert die Grundierung, dass das Bindemittel Öl der Farbe entzogen wird und in den Untergrund zieht. Mit weniger Bindemittel trocknet die Ölfarbe runzelig auf und bekommt leicht Risse.
Durch Schwankungen der Luftfeuchtigkeit kann es in seltenen Fällen zum Verzug der Keilrahmenleisten kommen. Um das zu vermeiden, sollte man darauf achten, bespannte Keilrahmen nicht längere Zeit sehr hoher oder sehr niedriger Luftfeuchtigkeit auszusetzen. Ein Keilrahmen, der nach sehr straffer Aufspannung durch die Zugkräfte des Leinwandgewebes leicht verzogen ist, kann in der Regel durch leichtes Gegendrücken korrigiert werden.
Hat eine Leinwand die Spannung verloren, sollte als erste Maßnahme die Leinwandrückseite befeuchtet werden. Dadurch zieht sich das Gewebe zusammen und die Spannung kehrt zurück. Erst wenn das Bild längere Zeit sehr schlaff ist und Beulen wirft, kann man die Keile in den Ecken leicht anschlagen oder an den entsprechenden Stellen die Leinwand nachspannen, indem man die Befestigungen löst und neu fixiert. Oft verliert eine Leinwand auch einfach im Winter bei trockener Heizungsluft ihre Spannung. Das Problem löst sich meist im Frühling von selbst, wenn die Luftfeuchtigkeit das Leinwandgewebe wieder zusammenzieht.