Après avoir suivi des cours de théâtre dès l'âge de neuf ans, Julie-Marie Parmentier commence sa carrière de comédienne sur les planches en 1993. En 1997, elle est repérée par Noémie Lvovsky qui l'engage pour être une des quatre adolescentes de son téléfilm Petites. Son rôle de Stella, jeune fille à la sensibilité à fleur de peau, lui vaut en 1999 une première apparition sur grand écran. Petites, agrémenté de quelques scènes, sort en salle sous le titre La Vie ne me fait pas peur. Le film remporte le prix Jean Vigo. En parallèle, Julie-Marie Parmentier tourne dans plusieurs téléfilms.

En 2000, elle est la fille prostituée et toxicomane d'Ariane Ascaride dans La Ville est tranquille de Robert Guédiguian. Le cinéaste marseillais l'emploie à nouveau deux ans plus tard dans Marie-Jo et ses deux amours. Julie-Marie Parmentier incarne ici encore la fille d'Ariane Ascaride mais dans un rôle cette fois-ci un peu plus apaisé.

Entre temps, la comédienne se glisse dans la peau d'une des deux sœurs Papin aux côtés de Sylvie Testud dans Les Blessures assassines (2000) de Jean-Pierre Denis. Le Ventre de Juliette (2002) de Martin Provost la ramène une nouvelle fois à Marseille. Elle y tient le rôle principal, celui d'une jeune adolescente qui tombe enceinte. Cette expérience difficile l'amène à devenir un peu plus adulte. En 2002, Julie-Marie Parmentier tourne également Folle embellie de Dominique Cabréra aux côtés de Marilyne Canto et Jean-Pierre Léaud.

Elle se consacre ensuite au théâtre avant de se retrouver en 2006 aux côtés de Vincent Cassel et Roxane Mesquida dans Sheitan, le premier long-métrage du collectif Kourtrajmé. Elle y campe le rôle d'une paysanne aussi arriérée que diabolique. Elle renoue ensuite avec la prostitution en 2007, dans Charly, le deuxième long-métrage d'Isild Le Besco, face au jeune Kolia Litscher qui rêve de découvrir Belle-Ile-en-Mer.

Traçant sa route dans le cinéma d'auteurs, Julie-Marie Parmentier est engagée chez Rivette pour tourner dans 36 vues du Pic Saint-Loup, film exigeant du cinéaste de la Nouvelle Vague, puis dans Les Petits ruisseaux de Pascal Rabaté aux côtés de Bulle Ogier.