Après une enfance passée à Nantes, Julien Boisselier monte à Paris pour y suivre les enseignements de Jean-Pierre Bouvier et de Denise Chalem au sein de l'ENSATT, et suit en parallèle une formation aux cours Florent. Il fait ses débuts d'acteur au théâtre (notamment dans "Les pavés de l'ours" en 1993, sur une mise en scène de Sylvie Testud) et sur le petit écran : on le remarque dans la saga d'été Dans un grand vent de fleurs, téléfilm de Fabrice Cazeneuve. Son premier rôle au cinéma est celui d'un psychiatre sectaire dans Nationale 7 de Jean-Pierre Sinapi (2000).

Doux rêveur à l'allure décontractée, Julien Boisselier multiplie les tournages avec les réalisateurs de la nouvelle génération, tels que Benoît Cohen (Les Acteurs anonymes puis Nos enfants chéris), Renaud Cohen (Quand on sera grand), ou Nicolas Boukhrief (Le Convoyeur). Promu héros romantique du jeune cinéma français, il est en 2004 à l'affiche de trois comédies (Clara et moi, J'me sens pas belle et Tout le plaisir est pour moi), dans lesquelles il campe des séducteurs qui ne craignent pas de montrer leur fragilité. En 2006 il signe sa seconde collaboration avec le réalisateur Bernard Jeanjean, en jouant l'amant de la femme de son psy, interprété par Richard Berry, dans J'veux pas que tu t'en ailles.

Après sa participation au touchant drame familial Je vais bien, ne t'en fais pas, il revient dans un registre nettement plus léger avec Les Dents de la nuit, une comédie horrifique sur fond de vampirisme. Résistant dans Les Femmes de l'ombre puis Henri IV dans le téléfilm du même nom, Julien Boisselier retrouve pour la troisième fois Nicolas Boukhrief avec Gardiens de l'ordre, où il campe un terrifiant trafiquant de drogue. Il se glisse ensuite dans l'uniforme d'un policier corrompu dans Nuit blanche, aux cotés de Tomer Sisley et Joey Starr.

Il procède à un virage à 180° avec la série d'Arte, Xanadu, qui le plonge dans l'univers du cinéma X. 2014 est l'année des comédies pour Julien Boisselier : il est à l'affiche de SMS, Fastlife de Thomas Ngijol et Jamais le premier soir avec Alexandra Lamy. Il retrouve cette dernière l'année suivante pour Bis de Dominique Farrugia. Également très demandé à la télévision, il apparaît dans deux séries de France 2, Cherif et Chefs, puis dans Quadras sur M6, où il incarne le comptable et ami de François-Xavier Demaison, invité à un mariage qui tourne mal. En 2018, on le retrouve au cinéma dans un registre plus sombre avec Et mon coeur transparent, un thriller dans lequel il joue un veuf qui tente de percer le mystère qui entoure la mort de son épouse.