Julie M. Benz est née à Pittsburg, d’un père chirurgien et d’une mère patineuse. A trois ans, elle suit les pas de cette dernière, et à 16 ans, elle participe - comme son frère et sa sœur - au Championnat Américain de danse sur glace junior. Une mauvaise chute met fin à une carrière prometteuse ! Un an plus tard, elle décide de se tourner vers le métier d’actrice et commence par rejoindre une troupe de théâtre locale. En 1990, elle fait sa première apparition au cinéma dans Deux yeux maléfiques, un film d’horreur signé Dario Argento et George A. Romero. L’année suivante, elle décroche un des rôles principaux dans la série Hi Honey, I'm Home, qui durera deux saisons. Entretemps, elle suit des cours de comédie à l’Université de New York, puis déménage à Los Angeles.
Les études terminées, Julie Benz enchaîne les apparitions dans des téléfilms et séries télévisées, dont Mariés, deux enfants, Notre belle famille, Sliders, les mondes parallèles ou encore Fame L.A.. Elle passe également une audition pour le rôle de Buffy, dans Buffy contre les vampires (1997), mais les producteurs lui préfèreront Sarah Michelle Gellar. Néanmoins, ils lui proposent de camper un autre personnage, celui du vampire Darla, qu’elle interprète pendant quelques épisodes. Elle enchaîne ensuite avec Ask Harriet, dont seulement 5 épisodes sur 13 seront diffusés sur la chaîne américaine Fox. Mais la jeune femme ne baisse pas les bras et se retrouve dans Roswell, où elle joue Kathleen Topolsky dans la première saison. Côté cinéma, elle obtient des petits rôles dans Pour le pire et pour le meilleur et Les Années rebelles (1997), puis interprète l’année suivante un des personnages principaux de la comédie Jawbreaker.
La chance lui sourit en 1999, quand les scénaristes décident de ramener Darla à la vie dans Angel, le spin-off de Buffy contre les vampires. Elle devient alors un des personnages récurrents importants de la série et ce, durant près de deux ans. Elle profite néanmoins du temps que lui laisse le show pour tourner dans quelques films et téléfilms (Scary Scream Movie, Satan's School for Girls). Après la fin d’Angel, elle continue son parcours à la télévision, en participant à des séries à succès, telles que NCIS : Enquêtes spéciales, Les Experts, Les Experts : Miami, Supernatural et New York Police Judiciaire. D’un autre côté, les films dans lesquels elle joue ne rencontrent pas de grand succès et ses prestations ne sont pas vraiment remarquées.
En 2006, sa carrière bénéficie du succès de Dexter, la série avec Michael C. Hall dans la peau d’un serial-killer. Elle campe Rita, la compagne du héros, durant quatre ans. Le rôle lui permet d’être nominée à plusieurs reprises aux Golden Globes ou aux Emmy Awards. Elle obtient une récompense en 2006 aux Satellite Awards, dans la catégorie "Meilleur Second Rôle féminin dans une série". Après Dexter, elle incarne une femme fatale dans plusieurs épisodes de la saison 6 de Desperate Housewives. Au cinéma, elle se fait enfin remarquer en rejoignant Sylvester Stallone dans John Rambo (2007). L’année suivante, elle poursuit avec The Punisher - Zone de guerre, film pour lequel elle a dû se faire teindre en brune, puis Saw 5. A la rentrée 2010, elle est au casting de No Ordinary Family, une nouveauté de la chaîne ABC avec Michael Chiklis. Elle y tient le rôle de Stephanie Powell, une mère de famille qui se retrouve du jour au lendemain dotée de super-pouvoirs.