Issue d'une illustre famille de comédiens, Julie Depardieu suit des études de philosophie, puis multiplie les stages dans le milieu du cinéma, sans toutefois se destiner à la carrière d'actrice. On la découvre sur grand écran, aux côtés de son père, dans Le Colonel Chabert en 1994. Elle tourne ensuite dans plusieurs téléfilms de Josée Dayan.

 Danièle Dubroux offre à la comédienne son premier grand rôle dans L'Examen de minuit en 1998. Son naturel et sa fantaisie font merveille dans l'univers loufoque de la réalisatrice, qui la dirigera de nouveau dans Eros thérapie en 2004.

 Elle enchaîne les rôles, à la fois pour le cinéma d’auteur et le grand public.

Julie tourne en 2003 « Podium » et « un long dimanche de fiancailles », gros succès au box office.

Elle obtient en 2004 une première consécration en devenant la première actrice à remporter deux Césars pour le même rôle dans La Petite Lili de Claude Miller (meilleur espoir et meilleur second rôle féminin).
Sa collaboration avec ce cinéaste lui sera bénéfique puisqu’elle remporte à nouveau le César du meilleur second rôle pour Un secret en 2008, année où elle joue également son propre rôle dans Le Bal des actrices de Maïwenn.

Après des années 2009 à 2011 fructueuses, on a pu entendre sa voix dans le film d’animation Ma maman est en Amérique  de Marc Boreal et Thibaut Chatel avant de la découvrir dans l’adaptation de Les yeux jaunes des crocodiles en 2014. Depuis, elle a notamment tourné dans deux autres longs métrages, Crash test Aglaé réalisé par Eric Gravel et C’est quoi cette famille ?! de Gabriel Julien- Laferrière. En 2014, Julie Depardieu coréalise avec Pierre-Henri Gibert, Guillaume D., un documentaire en hommage à son frère Guillaume.

Côté théâtre, Julie Depardieu découvre les planches en 2003 avec Mémoires de deux jeunes mariées d’Honoré de Balzac, puis Le jardin aux betteraves de Roland Dubillard. En 2011, Julie Depardieu est nommée aux Molière pour son interprétation de Nono de Sacha Guitry mis en scène par Michel Fau qui la retrouve dans Le Misanthrope en 2014 puis dans Fric Frac en 2018.

Passionnée de musique classique et d’Opéra, elle met en scène Les Contes d’Hoffman d’Offenbach en 2008.

En 2015, elle participe à un concert- lecture à la Fondation Maeght pour l’inauguration de l’exposition « En chemin » de Gérard Garouste autour de son livre L’Intranquille ,  elle est également narratrice dans Fantasio d’Offenbach au Festival de Radio France Montpellier sous la direction de Friedemann Layer. 

Elle renouvellera l’expérience au Festival de Saint-Denis en compagnie de Charles Berling et du Secession Orchestra dirigé par Clément Mao-Takacs.

 Julie Depardieu tient une chronique hebdomadaire dans la Matinale de France Musique.