Issue d’une illustre famille de comédiens, Julie Depardieu suit des études de philosophie, puis multiplie les stages dans le milieu du cinéma. 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.
L’année 2004 marque un nouveau tournant dans sa carrière. En effet, son rôle dans La Petite Lili de Claude Miller lui vaut une double consécration aux César : celle de la Meilleure actrice dans un second rôle et celle de Meilleur espoir féminin. C’est la première fois qu’une actrice s’empare de deux statuettes dans la même soirée
Devenue une des comédiennes les plus en vue de sa génération, Julie Depardieu est bientôt sollicitée par André Téchiné dans Les Témoins. Cette fausse dilettante tourne néanmoins surtout avec de jeunes metteurs en scène. Elle passe, au cours de la seule année 2006, du drame familial (Le Passager) à la comédie romantique (Essaye-moi, Toi et Moi) et au polar social (Sauf le respect que je vous dois), sans oublier la chanson, en reprenant Born To Be Alive pour la bande originale du film Poltergay, où elle joue aux côtés de Clovis Cornillac. L’année suivante, son programme est tout aussi chargé. Elle apparaît dans le blockbuster américain Rush Hour 3 et fait partie du casting impressionnant des Femmes de l’ombre aux côtés de Sophie Marceau, Marie Gillain, Déborah François et Maya Sansa. La comédienne joue également son propre rôle dans le troisième long-métrage de Maïwenn Le Besco, le très encensé Le Bal des actrices. En 2009, elle donne la réplique à Charlotte Rampling dans La Femme invisible puis enchaîne les petites productions indépendantes avec Libre échange ou Je suis un no man’s land. Bien que discrète, l’actrice est très présente au cinéma en 2010 et 2011, puisqu’on peut la voir dans Pièce montée, Le Mariage à trois et L’Art d’aimer, comédie sentimentale d’Emmanuel Mouret.
L’année suivante, Julie Depardieu laisse de côté les thématiques de la romance et du mariage en donnant la réplique à Jérémie Renier dans Possessions, film adapté d’un tragique fait divers, l’affaire Flactif. Elle y incarne la femme de l’acteur, aspirée malgré elle dans une spirale vengeresse qui va mener son couple à commettre l’irréparable.
En 2014, c’est dans un drame que Julie Depardieu refera parler d’elle avec Les Yeux jaunes des crocodiles de Cécile Telerman.
En 2016, elle joue le rôle d’Agnès dans C’est quoi cette famille ?! de Gabriel Julien-Lafferrière, qui continuera la saga avec C’est quoi cette mamie ?! en 2019 puis C’est quoi ce papy ?!, en tournage en 2020.
Depuis 2018, elle incarne un médecin légiste dans la série Alexandra Ehle, diffusée sur France 3.