Dès l'âge de 9 ans, Julie-Marie Parmentier commence à prendre ses premiers cours de théâtre à Saint-Quentin (Aisne). Cela lui permet de jouer dans des pièces de Molière, Racine, Anouilh et aussi de pratiquer le théâtre de rue tout en poursuivant un cursus baccalauréat littéraire option théâtre.
À l'âge de 15 ans, elle est repérée par Noémie Lvovsky qui la fait tourner dans son premier long métrage Petites puis l'année suivante La vie ne me fait pas peur. Dès lors, Julie-Marie Parmentier tourne durant son adolescence au cinéma sous la direction de Robert Guédiguian, Jean-Pierre Denis, Martin Provost, Dominique Cabrera et à la télévision sous la direction entre autres d'Emmanuelle Bercot, Paule Zajdermann, André Chandelle et Hervé Baslé.
À 22 ans, elle passe une audition pour interpréter le rôle d'Anna dans Le Jugement dernier. Cette pièce va marquer le début de sa collaboration avec le metteur en scène André Engel pour qui elle joue ensuite Cordélia dans Le Roi Lear, la jeune fille dans Minetti (toutes deux aux côtés de Michel Piccoli) et Catherine dans La Petite Catherine de Heilbronn. Elle sera nommée aux Molières.
Parallèlement, elle travaille au théâtre avec Anne Dimitriadis ainsi qu'avec Michel Didym qui la met en scène dans un monologue La Séparation Des Songes. Sa prestation est saluée par la critique et lui vaut le prix de la révélation théâtrale Jean-Jacques Gautier.
Julie-Marie Parmentier continue d'interpréter des rôles marquants pour le grand et le petit écran sous la direction de Kim Chapiron, Raoul Peck, Yves Boisset, Isild Le Besco, Jacques Rivette et notamment en 2010 le rôle de No, une jeune fille sans abri dans No et Moi réalisé par Zabou Breitman.
La Comédie-Française annonce son arrivée le 4 octobre 2010 en tant que pensionnaire où elle fait son entrée en jouant l'impératrice dans Les Habits neufs de l'empereur. En 2011, elle joue Camille dans On ne Badine pas avec l'Amour mis en scène par Yves Beaunesne, puis est mise en scène par Jacques Lassalle dans L'École des femmes, où elle interprète Agnès.
En 2012, Julie-Marie Parmentier retrouve Dominique Cabrera et joue Honorine dans le dernier film de Benoît Jacquot, Les Adieux à la reine. Elle enregistre son premier livre-audio pour lequel elle obtient le prix coup de cœur de l'Académie Charles Cros.
Après avoir quitté la Comédie-Française fin 2012, elle retrouve André Engel en octobre 2013 au Théâtre National de Chaillot dans deux pièces d’Ödön von Horváth, et tourne dans le premier long métrage de Raphaël Neal : Fever.
Elle entame une collaboration avec Raphaël Enthoven sur son émission philosophique Le Gai Savoir (France Culture) ainsi que sur des cycles à l'Odéon tels que L'amitié dangereuse.
En 2014, le premier livre pour enfant de Julie-Marie Parmentier Les aventures de Pip-Pip le moineau est publié aux Editions L'Harmattan.
Tout en poursuivant des projets de littérature, elle joue le rôle de Norah, la fille d'Eusaebius dans Les Visiteurs 3 : La Terreur de Jean-Marie Poiré. Elle tient le rôle principal féminin dans Évolution de Lucile Hadzihalilovic, et joue aux côtés de Grégory Gadebois et Romain Duris dans le premier long métrage d'Emmanuel Courcol : Cessez-le-feu.
Au théâtre, elle joue aux côtés de Gérard Darmon dans une captation en direct pour France 2 : Vous êtes mon sujet, une pièce écrite expressément par Didier van Cauwelaert et mise en scène par Alain Sachs.
Julie-Marie Parmentier continue de jouer également pour le petit écran, puisqu'elle interprète le premier rôle aux côtés de Bernard Campan dans Presque comme les autres de Renaud Bertrand. Le film est adapté du livre écrit par Gersende et Francis Perrin Louis, pas à pas, qui retrace leur combat pour leur enfant autiste.