Jest jedyna córką aktorkiMarie Pillet oraz aktora i reżysera teatralnego Alberta Delpy. Jako pięciolatka debiutowała u ich boku na scenie teatralnej. W filmie pojawiła się po raz pierwszy wGuerres civiles en France z 1978 roku.
Pojawiła się m.in. następnie w drobnej roli uJeana-Luca Godarda wDetektywie (1985) U tego samego reżysera zaliczyła też debiut anglojęzyczny w adaptacji szekspirowskiegoKróla Leara z 1987 roku, w filmie tym pojawia sięWoody Allen.
Zdolna, cechująca się specyficzną „porcelanową” urodą Delpy od początku chętnie zatrudniania była przez europejskich mistrzów. Kolejno występowała u:
Delpy przeprowadziła się doNowego Jorku w 1990, a następnie kilka lat później doLos Angeles; od 2001 posiada również amerykańskie obywatelstwo[1]. Między innymi stąd występuje od ostatniej dekadyXX wieku w coraz większej ilości produkcji amerykańskich. W 1993 roku wystąpiła w roli Konstancji w anglojęzycznej ekranizacjiTrzech muszkieterów w doborowej obsadzie.
W 1995 roku pojawiła się w roli głównej, u bokuEthana Hawke’a, w filmieRicharda LinklateraPrzed wschodem słońca. Dziewięć lat później aktorzy ponownie spotkali się na planie kontynuacji filmu, zatytułowanejPrzed zachodem słońca (2004). Jako współtwórczyni scenariusza (razem z Hawkem, Linklaterem i Kimem Krizanem) Delpy nominowana była m.in.Oscara iIndependent Spirit Award, zaś jako odtwórczyni głównej roli została uhonorowana brytyjską Empire Award oraz nagrodą krytyków wSan Francisco. W 2013 powstała trzecia część cyklu –Przed północą.
W 2007 roku odniosła sukces jako scenarzystka i reżyserka komedii romantycznejDwa dni w Paryżu z własnym udziałem (Delpy również samodzielnie zmontowała obraz). Film przyniósł jej nominację doCézara za Najlepszy Scenariusz, nominację do Independent Spirit Award dla Najlepszego Debiutanckiego Filmu (nominacja dla Delpy jako jednej z producentek) oraz nagrodę Coup de Coeur na Międzynarodowym Festiwalu Filmów o Miłości.
Julie Delpy jako jedna z nielicznych piosenkarek francuskich wydała w 2003 album anglojęzyczny, zatytułowany jej imieniem i nazwiskiem[2]. Trzy piosenki w nim zamieszczone znalazły się później na scieźce dźwiękowej filmuPrzed zachodem słońca (2004).
Komponuje muzykę do swoich filmów, była jej autorem dlaDwa dni w Paryżu (2007), a także dla kolejnego filmu pt.Krwawa hrabina (2009).