Découvert à 18 ans lors de l’émission La nouvelle star, Jules Pelissier débute comme animateur dans l’émission de musique Louise Attaque sur France 4. En 2010, il fait sa première apparition au cinéma dans Bus Palladium de Christopher Thompson. Il obtient ensuite le premier rôle dans l'original thriller Simon Werner a disparu de Fabrice Gobert. Le film est sélectionné au Festival de Cannes en 2010 dans la section Un certain regard.

En 2011, Jules Pelissier est nommé dans la liste des acteurs Révélation des César ainsi que pour le prix Lumière du meilleur espoir masculin. Il tourne ensuite dans La Belle vie de Jean Denizot aux côtés de Solène Rigot. Il apparaît en 2015 dans Un moment d’égarement de Jean-François Richet et dans La Danseuse de Stéphanie Di Giusto. Dans Versus de François Valla, il interprète Brian, un jeune délinquant, père de famille, aussi mystérieux que tourmenté.