Julia Roberts débute sa carrière en jouant dans des spots publicitaires et à la télévision avant d'apparaître sur grand écran dans des petites productions comme Un Fusil pour l'honneur, dans lequel joue également son frère Eric Roberts, ou dans Mystic pizza (Donald Petrie,1988).

Elle perce grâce à Potins de femmes (Herbert Ross, 1989) et surtout Pretty woman (Garry Marshall, 1990), qui lui valent deux Golden Globes et deux nominations aux Oscars. Ses rôles suivants (dans L'Expérience interdite de Joel Schumacher et Les Nuits avec mon ennemi de Joseph Ruben) remportent moins les faveurs du public, sans pour autant défaire sa popularité. Grâce à sa collaboration avec Robert Altman (The Player, 1992 ; Prêt-à-porter, 1994), et L'Affaire Pélican d'Alan J. Pakula (1993), elle revient sur le devant de la scène cinématographique.

Dès lors, l'actrice enchaîne les tournages, renouant avec le registre de la comédie sentimentale (Le Mariage de mon meilleur ami, 1997 ; Coup de foudre à Notting Hill, 1999 ; Just married où elle retrouve Richard Gere, son partenaire de Pretty Woman, id. ; Couple de stars, 2001), sans exclure des rôles plus délicats dans des films d'époque (Mary Reilly de Stephen Frears, 1996 ; Michael Collins de Neil Jordan, id.). En 2000, Erin Brockovich de Steven Soderbergh consacre l'actrice comme la plus populaire d'Hollywood et marque sa pleine reconnaissance critique avec l'Oscar de la Meilleure actrice.

Trois ans plus tard, le cinéaste lui confie le premier rôle féminin d'Ocean's eleven (suivi d'Ocean's 12 en 2004) et de l'expérimental Full frontal (2002), où elle donne à nouveau la réplique à Brad Pitt, son partenaire du Mexicain (2001). Au faîte de sa carrière, la comédienne incarne par la suite une enseignante qui cherche à se libérer des moeurs de son époque dans Le Sourire de Mona Lisa (2003), une comédie dramatique de Mike Newell qui se déroule dans les années 1950.

Parallèlement, et dans un genre plus léger, elle fait ses débuts dans le doublage de films d'animations en prêtant sa voix à l'infirmière Hova dans Lucas, fourmi malgré lui de John A. Davis. Cette expérience semble lui plaire, puisqu'elle récidive en 2007, avec Le Petit monde de Charlotte, où elle double l'araignée narratrice. 

Après presque trois ans d'absence, l'actrice revient sur les écrans en 2008 dans la satire politique La Guerre selon Charlie Wilson - alias Tom Hanks - biopic sur le député du même nom. L'occasion pour elle de renouer avec Mike Nichols après Closer, entre adultes consentants, dans lequel elle donnait la réplique à Clive Owen. Elle retrouve l'acteur en 2009 dans la comédie d'espionnage Duplicity de Tony Gilroy. Si Valentine's Day, Mange, prie, aime et Il n'est jamais trop tard ne lui permettent pas de renouer avec son succès des années 1990, Julia Roberts change de registre en 2012 en jouant dans la nouvelle adaptation de Blanche Neige : à contre-emploi, elle use de son sourire légendaire pour incarner la maléfique Reine avide de pouvoir.

Elle est ensuite au générique du téléfilm de Ryan Murphy The Normal Heart (2014), consacré à la montée du sida dans les années 80, et d'Un été à Osage County (id.), un drame familial qui lui offre l'occasion de donner la réplique à un casting 4 étoiles composé de Meryl Streep, Benedict Cumberbatch, Sam Shepard et Ewan McGregor. Deux ans plus tard, elle joue dans pas moins de trois longs métrages : Aux yeux de tous, remake du film argentin oscarisé Dans ses yeux, la comédie chorale Joyeuse fête des mères qui marque sa 4e collaboration avec Garry Marshall et enfin Money Monster de Jodie Foster. Ce thriller, où elle est aux côtés de son ami George Clooney, est sélectionné hors compétition au Festival de Cannes et lui permet de monter pour la première fois de sa carrière les fameuses marches du palais des festivals. 

En 2017, âgée de 50 ans, Julia Roberts est toujours aussi populaire : le magazine People la désigne comme plus belle femme du monde tandis qu'elle fait partie, selon Forbes, du top 10 des actrices les mieux payées de l'année. Alors qu'elle s'apprête à faire ses débuts à la télévision dans la série Homecoming, par le créateur de Mr. Robot, on la retrouve au cinéma dans Wonder, où elle incarne la mère d'un enfant souffrant de malformation interprété par Jacob Tremblay, la révélation de Room.