A párizsi születésű Julie Delpy-t Jean-Luc Godard fedezte fel 14 esztendős korában, amikor szerepet adott neki Detective (1985) című filmjében. Filmes tanulmányait a new yorki Tisch School of the Arts diákjaként végezte, több mint harminc film rendezője, írója vagy szereplője volt.
Főszerepet játszott Bertrand Tavernier Beatrice passiója című filmjében, amiért francia César jelölést kapott a Legígéretesebb színésznő kategóriában. Szűz Máriát alakította Carlos Saura In the dark night című mozijában, első átütő sikerét pedig Agnieszka Holland Európa Európa című filmjével aratta. Volker Schlöndorff Homo faber című filmjében nyújtott alakításáért kapta első EFA jelölését 1991-ben. Dolgozott Krzysztof Kieslowski-val a Három szín trilógia Dominique-jaként (1993/1994), Jim Jarmusch-sal a Hervadó virágokban (2005), illetve Todd Solondz-cal a Wiener-dog (2016) című filmben.
Legemlékezetesebb alakítását minden bizonnyal Ethan Hawke oldalán nyújtotta Richard Linklater filmjeiben: Mielőtt felkel a nap (1995), Mielőtt lemegy a nap (2004), és Mielőtt éjfélt üt az óra (2013). Delpy a filmek társírója volt és Oscar jelölést kapott az utóbbi kettőért, valamint egy Golden Globe-jelölést a Mielőtt éjfélt üt az órában nyújtott alakításáért.
Hat nagyjátékfilmet rendezett, második EFA jelölését 2007-ben a 2 nap Párizsban című moziért kapta, amelyért César díjra is jelölték. Francia hétvége című filmje a zsűri különdíját érdemelte ki 2011-ben a San Sebastian Filmfesztiválon, Lolo című alkotása pedig a 2015-ös Velencei Filmfesztiválon debütált.
Julie Delpy a 30. Európai Filmdíj-átadó díszvendége december 9-én Berlinben.
