Fille des comédiens Albert Delpy et Marie Pillet, Julie Delpy se familiarise dès l'enfance avec le monde de l'art : elle étudie la musique, découvre le cinéma de Bergman, et assiste aux pièces d'avant-garde interprétées par ses parents. C'est en compagnie de son père qu'elle fait sa première apparition à l'écran, en 1976, dans Guerres civiles en France. Repérée par Dominique Besnehard, l'adolescente est dirigée par Godard (Détective, 1984) puis par un de ses disciples, Leos Carax (Mauvais sang).

L'expérience est douloureuse, mais sa prestation dans ce film devenu culte lui vaut une nomination au César du Meilleur espoir en 1987. Elle en obtient une seconde l'année suivante pour son rôle de jeune fille pure du Moyen-Age dans La Passion Béatrice de Tavernier. Nazie fervente dans Europa Europa (1990), l'actrice à la beauté diaphane travaille avec de grands cinéastes du Vieux continent, de Saura à Schlöndorff, sans oublier Kieslowski, qui lui offre un rôle de coiffeuse cruelle dans Trois couleurs - Blanc (1994).

Refusant le statut d'égérie romantique du cinéma français, Julie Delpy part vivre aux Etats-Unis au milieu des années 90, d'abord à New York (elle suit des cours à la Tisch School of the Arts) puis à Los Angeles. Vue dans Les 3 mousquetaires version Disney, elle affiche cependant une prédilection pour les productions indépendantes (Killing Zoe). En 1995, elle est, aux côtés d'Ethan Hawke, l'héroïne de Before Sunrise de Richard Linklater, l'histoire d'une rencontre amoureuse à Vienne, l'espace d'une nuit. L'authenticité des émotions et des dialogues fait mouche. Une suite sera tournée dix ans plus tard, à Paris, sous le titre Before Sunset, avec à la clé une nomination à l'Oscar du Meilleur scénario, co-écrit par les deux acteurs.

Aussi à l'aise avec des auteurs européens décalés (Mika Kaurismäki, Enki Bilal) que sur le plateau de la série Urgences (2001), Julie Delpy s'impose peu à peu comme réalisatrice. Après un court réalisé dans le cadre de ses études en 1995 (Blah Blah Blah), elle passe au long en 2002 avec Looking for Jimmy, film fauché dans lequel elle porte un regard ironique sur la vie à Los Angeles. En 2007, dans son deuxième opus, 2 Days in Paris, elle s'amuse des différences culturelles au sein d'un couple franco-new-yorkais formé par Adam Goldberg et elle-même. Cette comédie tonique, qui obtient un joli succès critique et public, donnera lieu à une suite, tournée à New York avec Chris Rock (2012).

Appréciée pour son indépendance et son franc-parler, Julie Delpy, qui enregistre un album folk en 2003, surprend encore avec sa troisième réalisation, La Comtesse, d'une noirceur inattendue : elle y campe Elizabeth Bathory, Hongroise du XVIème siècle qui développe une obsession morbide pour la jeunesse et la beauté. Elle revient, l'année suivante, à un registre plus léger avec Le Skylab, tendre portrait de famille aux accents autobiographiques.

En 2015 sort son sixième long métrage, la comédie Lolo, qui narre la rencontre entre une quadra parisienne (Julie Delpy) travaillant dans la mode et un modeste informaticien (Dany Boon) fraîchement divorcé, mais dont la relation amoureuse est mise à mal par le fils de la première (Vincent Lacoste). Quatre ans plus tard, elle s'attaque à un registre plus sombre avec My Zoé, un drame familial sur fond de bataille pour obtenir la garde d'un enfant.

Après avoir mis en scène plusieurs épisodes de On The Verge (une série qu'elle crée avec Mathieu Demy et David Petrarca), elle revient à la comédie avec Les Barbares (2024), où les habitants d'un petit village de Bretagne sont contraints de cohabiter avec des migrants syriens.