Animada por el ambiente artístico en que creció, Julie Delpy hizo su debut en el teatro a los cinco años y a los catorce obtuvo su primer papel en el cine en la película Detective, dirigida por Jean-Luc Godard.

Dos años más tarde, Delpy fue elegida como protagonista de la película La Passion Béatrice. Con el sueldo se pagó su primer viaje a Nueva York, yendo a esta ciudad regularmente hasta que se instaló en ella en 1990.

Julie Delpy obtuvo éxito internacional por su papel en la película de 1991 Europa Europa, con su interpretación de Leni, una chica pro-nazi, que se enamora de Solomon Perel, sin saber que éste es judío. Tras esto, le ofrecieron muchos papeles tanto en Hollywood como en Europa.

En 1993, fue elegida por el director Krzysztof Kieslowski para participar en la segunda película de su trilogía Tres colores. Aparecía como protagonista en Tres colores: Blanco y hacía cameos en las otras dos cintas de la serie.

Delpy, interesada por la dirección desde su infancia, participó en un curso de verano sobre dirección en la Universidad de Nueva York y debutó como directora en 1995 con el cortometraje Blah Blah Blah. En 2002 dirigió su primer largometraje Looking for Jimmy, que también escribió y produjo. De carácter experimental, fue estrenado en Estados Unidos y Francia aunque pasó desapercibido. En 10 de febrero de 2007 presentó en el Festival Internacional de Cine de Berlín 2 días en París (Deux Jours à Paris), una nueva producción que dirige, escribe, protagoniza y además compone la banda sonora. Junto a ella actúan Adam Goldbergy Daniel Brühl Curiosamente, los padres de la actriz, Albert Delpy y Marie Pillet interpretaron en la película a los padres de la protagonista. Intercala su faceta como realizadora con la interpretación y prepara para 2008 una nueva producción titulada The Countess donde además de dirigir interpretará a la sanguinaria condesa húngara Erzsébet Báthory.

Su consolidación en los Estados Unidos fue a raíz de su participación junto a Ethan Hawkeen la película de 1995 Antes del amanecer dirigida por Richard Linklater. La película obtuvo magníficas críticas y es uno de los mejores ejemplos de cine independiente de los 90. Este éxito le llevó a liderar el reparto de Un hombre lobo americano en París, aunque ésta fue considerada como decepcionante por la crítica.

En 2004, Julie Delpy repitió su papel de Celine en la secuela de Antes del amanecer, titulada Antes del atardecer. En ésta se congregó el mismo equipo que en la anterior y el guión fue coescrito por el director Richard Linklater, Ethan Hawkey la propia Delpy. Las críticas fueron entusiastas y la actriz, junto a sus compañeros, fue nominada al Oscar al mejor guión adaptado ese año.

De una gran inquietud artística, Julie Delpy compuso y grabó en 2003 un disco titulado Julie Delpy. Tres de las canciones que contenía el disco: "A waltz for a night", "An ocean apart" and "Je t'aime tant" fueron usadas en la banda sonora de Antes del atardecer.

Delpy actualmente reside en Los Ángeles y se naturalizó estadounidense en 2001 aunque manteniendo su nacionalidad francesa.