Née à Boston, Julia Jones grandit dans le quartier de Jamaica Plain auprès de son père Frank, d'origines choctaw, chickasaw et afro-américaine, et de sa mère Penny, d'ascendance anglaise. Attirée dès son plus jeune âge par les arts de la scène, elle intègre le prestigieux Boston Ballet School dès l'âge de quatre ans. Elle fait ses premiers pas devant la caméra et sur les planches à seulement huit ans à travers des pièces locales et des publicités. Après avoir décroché son diplôme à la Boston Latin School, elle poursuit ses études à la célèbre université de Columbia, où elle obtient un diplôme en littérature anglaise en 2005.

Sa carrière prend un tournant décisif lorsqu'elle rejoint la série médicale Urgences dans le rôle du docteur Kaya Montoya, avant de décrocher des rôles plus marquants au cinéma. Au début des années 2010, elle incarne Leah Clearwater dans la saga à succès Twilight (volets 3, 4 et 5). Puis, elle prend part aux thrillers Wind River et Sang froid, ainsi qu'à la comédie Think Like a Dog et la série Westworld. On la retrouve également dans l'univers Star Wars avec une apparition dans The Mandalorian. Plus récemment, elle marque les esprits dans la série Dexter: New Blood, où elle prête ses traits à Angela Bishop, la cheffe de la police locale.

Toujours en quête de rôles intenses et variés, l'actrice américaine continue d'enrichir sa filmographie sur le grand écran avec des projets ambitieux. Elle participe notamment à la minisérie Echo dans le rôle de Chafa, la première Choctaw, rendant un bel hommage à ses propres origines. Récemment, elle s'illustre dans le drame historique et thriller intense Les Contrebandiers. Elle y partage l'affiche avec Ethan Hawke et Russell Crowe, incarnant le principal rôle féminin d'un groupe en lutte dans les forêts d'Oregon des années 1930.