Julie Delpy wurde 21. Dezember 1969 in Paris geboren. Ihre Eltern sind die Schauspielerin Marie Pillet und der Schauspieler und Theaterregisseur Albert Delpy. Mit 14 Jahren stand sie in Jean-Luc Godards "Détective" erstmals vor der Kamera und übernahm zwei Jahre später die Hauptrolle in Bertrand Taverniers "La Passion Béatrice" (FR 1987). International bekannt wurde sie durch ihre Rolle einer Nazi-Sympathisantin, die sich in Agnieszka Hollands "Hitlerjunge Salomon" (DE/FR 1990) in einen Juden verliebt. Nach diesem Erfolg begann sie sich vermehrt in den USA aufzuhalten und war in einer Vielzahl europäischer und US-amerikanischer Produktionen zu sehen, von denen sich viele dem Segment des künstlerisch ambitionierten "Arthouse" zuordnen lassen. Darunter Volker Schlöndorffs Literaturadaption "Homo Faber" (DE/FR/GR 1991) mit Sam Shepard, Krzysztof Kieślowskis "Drei Farben"-Trilogie (FR/PL 1993-1994) und Jim Jarmuschs "Broken Flowers" (US/FR 2005). Richard Linklaters "Before Sunrise" (US/AT/CH 1995) sowie die beiden dazugehörigen Fortsetzungen "Before Sunset" (US 2004) und "Before Midnight" (US 2013) folgen der Beziehung einer jungen Französin (Delpy) und eines jungen Amerikaners (Ethan Hawke) vom Kennenlernen bis zur Ehe. Sowohl bei "Before Sunset" als auch bei "Before Midnight" war sie gemeinsam mit Ethan Hawke am Drehbuch beteiligt. Für ihre Arbeit an Letzterem erhielt sie gemeinsam mit ihren Ko-Autoren Linklater und Hawke eine Oscar-Nominierung.

Auch zuvor war Julie Delpy schon als Drehbuchautorin, und zudem als Regisseurin und Musikerin, tätig. Nachdem sie einen Sommerkurs im Fach Regie an der New York University belegt hatte, drehte sie bereits 1995 ihren ersten Kurzfilm "Blah Blah Blah", der beim Sundance Film Festival aufgeführt wurde. Ihre Langfilmdebüt als Regisseurin, für das sie sowohl das Drehbuch geschrieben als auch die Produktion übernommen hatte, legte sie mit "Looking for Jimmy" (US) 2002 vor. Ein Jahr später erschien ihr erstes und bislang einziges Soloalbum "Julie Delpy".  

Zu den weiteren Regie- und Drehbucharbeiten von Delpy gehören "2 Days in Paris" (FR/DE 2007) und die Fortsetzung "2 Days in New York" (FR/BE/DE 2012), für die sie zudem auch die Soundtracks komponierte als auch die Hauptrollen spielte. Dazwischen drehte sie die deutsch-französische Koproduktion "Die Gräfin" (DE/FR 2009) über Intrigen und Machtkämpfe in Adelskreisen des 17. Jahrhunderts. Auch hierfür schrieb Delpy das Drehbuch und Musik und führte Regie. Die Hauptrolle spielte sie an der Seite von Daniel Brühl, in weiteren Rollen sind unter anderem William Hurt, Anna Maria Mühe und Charly Hübner zu sehen.

2019 feierte die internationale Koproduktion "My Zoe" auf dem Toronto Film Festival Premiere. Das Drama über eine Mutter (Delpy), die mit drastischen Mitteln an ihrer verstorbenen Tochter festzuhalten versucht, wurde, wie schon ihre Regiewerke zuvor, von Delpy auch geschrieben und produziert. Zur prominenten Besetzung gehören Daniel Brühl, Nicolette Krebitz, Jördis Triebel und Nina Kunzendorf.

Julie Delpy besitzt seit 2001 neben der französischen auch die amerikanische Staatsbürgerschaft und wohnt abwechselnd in Paris und Los Angeles.