Fille de Gérard et Elisabeth Depardieu, sœur de Guillaume Depardieu.

Issue d'une illustre famille de comédiens, Julie Depardieu suit des études de philosophie, puis multiplie les stages dans le milieu du cinéma, sans toutefois se destiner à la carrière d'actrice. On la découvre sur grand écran, aux côtés de son père, dans Le Colonel Chabert en 1994. Elle tourne ensuite dans plusieurs téléfilms de Josée Dayan. Danièle Dubroux offre à la comédienne son premier grand rôle dans L'Examen de minuit en 1998. Son naturel et sa fantaisie font merveille dans l'univers loufoque de la réalisatrice, qui la dirigera de nouveau dans Eros thérapie en 2004.

A l'image de son frère Guillaume, Julie Depardieu devient, au fil de ses apparitions chez Assayas (Les Destinées sentimentales), Laetitia Masson ou Cédric Klapisch, une figure familière et attachante du jeune cinéma français. L'année 2004 marque un tournant dans sa carrière, avec deux films qui lui permettent de révéler l'étendue de son répertoire. Epouse excédée du "clo-clone" Poelvoorde dans Podium, succès populaire de Yann Moix qui exploite son talent comique, elle crée la surprise aux César en décrochant à la fois le Prix du Meilleur espoir et celui du Meilleur second rôle féminin, pour sa vibrante composition d'amoureuse transie dans La Petite Lili de Claude Miller.

Devenue une des comédiennes les plus en vue de sa génération, Julie Depardieu est bientôt sollicitée par André Techiné dans ses Témoins. Cette fausse dilettante tourne néanmoins surtout avec de jeunes metteurs en scène. Elle passe, au cours de la seule année 2006, du drame familial (Le Passager) à la comédie romantique (Essaye-moi, Toi et moi) et au polar social (Sauf le respect que je vous dois), sans oublier la chanson, en reprenant "Born to be alive" pour la BO du film Poltergay, où elle joue aux côtés du très en vogue Clovis Cornillac.

L'année suivante, son programme est tout aussi chargé. Elle apparaît dans le blockbuster américain Rush Hour 3 et fait partie du casting impressionnant des Femmes de l'ombre aux côtés de Sophie Marceau, Marie Gillain, Déborah François et Maya Sansa. La comédienne joue également son propre rôle dans le troisième long-métrage de Maïwenn Le Besco, le très encensé Le Bal des actrices.

En 2009, elle donne la réplique à l'illustre Charlotte Rampling dans La Femme invisible puis enchaîne les petites productions indépendantes avec Libre échange ou encore Je suis un no man's land, film sur le tournage duquel elle rencontre son compagnon Philippe Katerine. Bien que discrète, l'actrice apparait très présente au cinéma entre 2010 et 2011, puisqu'on peut la voir dans Pièce montée, Le Mariage à trois, et L'Art d'aimer, comédie sentimentale d'Emmanuel Mouret.

L'année suivante, Julie Depardieu laisse de côté les thématiques de la romance et du mariage en donnant la réplique à Jérémie Renier dans Possessions, film adapté d'un tragique fait divers, l'affaire Flactif. Elle y incarne la femme de l'acteur, aspirée malgré elle dans une spirale vengeresse. Après cette prestation marquante, la comédienne tend à privilégier la comédie, comme en témoignent ses prestations dans L'Art d'aimer d'Emmanuel Mouret, Les Yeux jaunes des crocodiles de Cécile Telerman, ou la trilogie de Gabriel Julien-Laferrière composée de C'est quoi cette famille ?!, C'est quoi cette mamie ?! et C'est quoi ce papy ?!.

Parallèlement active à la télévision, Julie Depardieu incarne le personnage principal des séries La Famille Katz et Alexandra Ehle. Entre les deux, elle donne la réplique à François Berléand, Isabelle Gélinas et François Vincentelli dans le programme comique Les Chamois.