Joséphine Japy débute sa carrière d’actrice très jeune, puisqu’elle interprète à seulement 10 ans Belle de jour dans le film Les âmes grises. Dans ce long-métrage d’Yves Angelo, elle partage l’affiche avec Jean-Pierre Marielle, Jacques Villeret et Marina Hands.

Elle ne revient au cinéma que quatre années plus tard, en 2009, dans Neuilly sa mère ! de Gabriel Julien-Laferrière, interprétant Marie, la petite-amie du héros. Un rôle qu'elle reprend près de dix ans plus tard pour la suite. Entre temps, elle est l'objet de convoitise du Moine de Dominik Moll, campé par Vincent Cassel, dans l'adaptation du sulfureux roman gothique de Matthew Gregory Lewis.

En 2012, elle devient France Gall dans le biopic Cloclo de Florent Emilio Siri. Face à Jérémie Renier en Claude François, elle interprète l'ingénue chanteuse, alors âgée de 17 ans.

En 2014, tout en poursuivant des études à l’Institut d'Etudes Politiques de Lyon, elle tourne Respire, réalisé par Mélanie Laurent. Aux côtés de Lou de Laâge, elle tient pour la première fois de sa carrière le rôle principal d'un film. Centré sur une amitié toxique, le long-métrage est sélectionné à la Semaine de la Critique du Festival de Cannes et vaut à la comédienne d'être nommée au prix Romy Schneider et au César du meilleur espoir féminin. 

Malgré cet engouement, la jeune femme se fait rare sur les écrans et choisit ses projets avec parcimonie. Décidée à poursuivre ses études en sociologie, elle décroche un master à Sciences Po. Après le thriller Irréprochable où elle suscite la jalousie de Marina Foïs, elle incarne le grand amour de François Civil dans la comédie romantique Mon Inconnue. Elle poursuit en campant le rôle-titre du biopic Eugénie Grande et une archéologue dans la comédie d'aventures Jack Mimoun et les Secrets de Val Verde.

Puis, on la voit aux côtés du grand Jean Dujardin dans le drame Sur les chemins noirs, avant de mettre en scène son premier film, Qui brille au combat, un récit autobiographique inspiré de son adolescence. Parallèlement, Joséphine Japy joue Dominique Tapie dans la série consacrée au célèbre homme d'affaires.