Julie Depardieu est la fille des acteurs Gerard Depardieu et Élisabeth Guignot. Elle est la sœur de l'acteur Guillaume Depardieu (1971-2008). Elle a également une demi-sœur et un demi-frère cadets du côté de son père. Elle naît pendant le tournage du film les Valseuses en juin 1973, qui va rendre son père célèbre. {{Refnec}}.{{Article détaillé}}
Ne se destinant pas à une carrière d'actrice, elle suit des études de philosophie, tout en effectuant des stages dans le milieu du cinéma. Pour sa première figuration active au cinéma, elle donne la réplique à son père dans Le Colonel Chabert en 1994. Depuis cette date, elle a joué dans de nombreux films et productions télévisuelles. Elle devient la première comédienne à obtenir deux Césars pour le même rôle en 2004 : celui du meilleur espoir et du meilleur second rôle féminin avec La Petite Lili de Claude Miller. Grâce à ce réalisateur, elle obtient d'ailleurs un troisième trophée en 2008 (son second comme meilleur second rôle) grâce à Un secret. En 2008 elle réalise à côté du metteur en scène Stéphan Druet sa première mise en scène pour les opéras en plein air: Les contes d'hoffmann d'Offenbach.
Elle fréquente des musiciens et rencontre le chanteur Philippe Katerine sur le tournage de Je suis un no man's land. Ils sont les parents de deux garçons, Billy (né le {{date}}) et Alfred (né le {{date}}).
Fin novembre 2013, elle apparaît dans les médias français (Canal+ le 26, France Inter le 27) pour faire la promotion de l'album de chansons de son frère Guillaume, Post Mortem dont, après son décès, elle a repris la production et procédé à la finalisation.