Avant de percer dans le septième art, Julio Medem a appris à manier... le bistouri ! Le futur réalisateur a en effet d'abord été diplômé en médecine et chirurgie générale. Il collabore cependant à de nombreuses revues dont le quotidien La Voz de Euskadi, pour lequel il rédige des critiques de films. A partir de 1974, il tourne ses premiers courts métrages grâce à une caméra 8 mm (El ciego, Fideos, Las seis en punta...) et devient chef monteur sur les films de Koldo Eizaguire.

Au début des années 90, Julio Medem se consacre entièrement à sa carrière cinématographique. En 1991, il réalise ainsi son premier long, Vacas, l'histoire de deux familles rivales dans le Pays Basque de la fin du XIXème siècle. Une entrée en matière réussie qui lui permet d'obtenir le Goya du Meilleur jeune réalisateur (l'équivalent des César en Espagne). L'année suivante, il tourne L'Écureuil rouge, une rencontre amoureuse entre une amnésique et un jeune paumé, interprétés respectivement par Emma Suarez et Nancho Novo. En 1996, il signe Tierra et aborde à nouveaux ses thèmes de prédilection : la famille, la mort, ainsi que les multiples et étranges facettes que peut avoir une même personnalité...

En 1998, Julio Medem se fait connaitre sur la scène internationale grâce aux Amants du cercle polaire, une romance lyrique portée par Najwa Nimri et Fele Martinez. En 2001, il tourne Lucia y el sexo, l'histoire d'une serveuse de restaurant qui découvre peu à peu les sombres secrets de sa relation passée avec un écrivain de Madrid. Le cinéaste espagnol réalise deux ans plus tard un documentaire, La Pelote basque : la peau contre la pierre, centré sur le conflit basque, et propose un dialogue entre les différentes parties. Ce n'est qu'en 2010 que sort en France son film Caótica Ana (2007), qui met en scène Charlotte Rampling et Nicolas Cazalé, accompagnant une débutante (Manuela Vellés) dans une quête initiatique mouvementée.

Après un détour par la capitale italienne (Room in Rome en 2010, inédit en France), Julio Medem part pour Cuba avec 7 jours à la Havane. Il réalise l'un des segments du film, "La tentadión de Cecilia". Ce long métrage à réalisateurs multiples (citons Benicio Del Toro, Gaspar Noé et Laurent Cantet), est nommé au Festival de Cannes dans la sélection Un Certain Regard. C'est un retour sur la Croisette pour Julio Medem, dans un Festival qui lui a déjà porté chance, puisqu'il a remporté en 1993 le Prix de la Jeunesse pour L'Écureuil rouge.