Betty May Adams s'initie aux arts dramatiques avant l'âge de 10 ans, jouant dans la pièce Hensel and Gretel à l'école primaire. Persuadée de son talent d'actrice dès l'adolescence, elle quitte la ville de Little Rock dans l'Arkansas pour la Californie, où elle doit concilier un travail de secrétaire à mi-temps avec ses cours de théâtre.

Elle conserve le nom Betty Adams jusqu'à son entrée dans les studios Universal, qui décident de lui attribuer le nom de Julia Adams. Son premier rôle au cinéma, en 1949, est précisément celui d'une starlette dans la comédie policière . C'est pourtant dans des westerns que Julia fait ses sept prochaines apparitions à la toile, toutes dans le temps record de cinq semaines, enchaînant les premiers rôles (Le Gang Dalton) et les rôles secondaires.

La célébrité n'arrive qu'avec un classique de l'horreur, L'Etrange Créature du lac noir, dans lequel elle vit la jeune proie du monstre aquatique. Le succès du film donne à Universal la curieuse idée de souscrire une assurance pour ses jambes. En 1954, son nom est changé une dernière fois, de Julia à Julie Adams. Dans les années qui se suivent, elle partage l'affiche avec des noms prestigieux comme Elvis Presley (Chatouille-moi), Glenn Ford (Le Déserteur de Fort Alamo), Charlton Heston (La Guerre Privée du Major Benson), Rock Hudson (Victime du destin) et Jimmy Stewart (Les Affameurs). Ce dernier, d'ailleurs, est l'acteur préféré d'Adams - selon les propres mots, travailler tous les jours à son côté correspondrait à son "idée parfaite du paradis".

Depuis le mariage de Julie Adams avec l'acteur et réalisateur Ray Danton, le couple multiplie les apparitions ensemble à la télévision, dans des séries (Night Gallery) et des films (Pillards d'Epave, Tarawa, tête de pont). Depuis le début des années 1970, sa carrière est essentiellement consacrée à la télévision, notamment dans les rôles de la jeune épouse d'une professeur beaucoup plus âgée (dans The Jimmy Stewart Show) et d'une policière dans Arabesque. Depuis 2008, Julie Adams a participé, entre autres, à des épisodes des séries télévisées Les Experts : Manhattan, Cold Case : affaires classées et Lost, les disparus.

En 2011, Roman Polanski fait un clin d'oeil à sa voix mythique en lui donnant le rôle d'une secrétaire que l'on ne voit pas dans Carnage. Il s'agira de son dernier long métrage.