Julie Delpy est la fille unique d'Albert Delpy et de Marie Pillet, tous deux acteurs de théâtre. Elle a fait ses études artistiques à la Tisch School of the Arts à l'Université de New York ainsi qu'à l'Actors Studio dans les années 1980. Elle fait ses débuts au cinéma à quatorze ans dans Détective de Jean-Luc Godard (1985).
Bilingue et naturalisée américaine en 2001, elle vit actuellement entre Paris et Los Angeles.
Elle est la mère d'un petit garçon, Léo, né début 2009, dont le père est le compositeur Marc Streitenfeld{{,}}. Le couple est depuis séparé.