Issue d'une fratrie de cinq enfants et fille d'un chercheur réputé, Julia Ormond se découvre très tôt une vocation pour le théâtre. A l'instar de ses grands parents artistes, elle envisage une carrière artistique en effectuant ses études à la Webber Douglas Academy of Dramatic Art de Londres, dont elle sort diplômée en 1988. Ses premières prestations théâtrales lui valent déjà la reconnaissance de la critique : elle reçoit en 1989 le London Critics Circle Award de la Meilleure jeune révélation pour sa performance dans la pièce "Faith, Hope & Charity" d'Ödön von Horvath. En 1993, après quelques apparitions à la télévision, elle décroche le premier rôle dans le film The Baby of Mâcon de Peter Greenaway; une sombre fresque ayant pour toile de fond une Angleterre ravagée par la peste au XVIIe siècle.

L'année suivante, elle donne la réplique à Richard Gere dans Lancelot, le premier chevalier en interprétant son épouse Guenièvre, avant de faire tourner la tête de Brad Pitt et ses frères dans Légendes d'automne. En 1995, le grand metteur en scène Sydney Pollack lui confie le rôle de Sabrina, marchant dans les pas d'Audrey Hepburn qui tenait le premier rôle dans le classique de Billy Wilder. Avec Le Barbier de Siberie du cinéaste Russe Nikita Mikhalkov (1998), sa carrière s'internationalise un peu plus. L'actrice tourne toutefois relativement peu depuis le début des années 2000. On a ainsi pu la voir chez son compatriote David Lynch dans INLAND EMPIRE (2006). En 2008, elle tourne cette fois sous la direction de Jennifer Lynch, la fille de l'illustre cinéaste, dans le thriller Surveillance. 

Julia Ormond se retrouve à l'affiche du dyptique consacré au Che et signé par Steven Soderbergh, ainsi que chez David Fincher, la même année, dans le récompensé L’étrange histoire de Benjamin Button. Elle enchaîne en devenant la protagoniste du biopic 20 ans d’injustice, puis, en 2011, le docteur Paula Geisen de la dixième saison de New York Section Criminelle. Deux ans plus tard, elle est, dans la série Witches of East End, l’envoûtante Joanna Beauchamp, descendante d’une lignée de puissantes sorcières.