Née à Paris le 21 décembre 1969, Julie Delpy baigne dans un univers artistique dès son plus jeune âge. Ses parents, Albert Delpy et Marie Pillet, sont en effet tous deux comédiens. Ils offrent à leur fille l’opportunité de s’initier à la musique, au théâtre ainsi qu’au cinéma. C’est d’ailleurs aux côtés de son père que Julie Delpy joue son premier rôle dans Guerres civiles en France de François Barat.
Encore adolescente, Julie Delpy est rapidement repérée par les réalisateurs. Détective (1985) de Jean-Luc Godard et Mauvais Sang (1986) de Leos Carax lui permettent notamment de se faire un nom dans le monde du cinéma. Mais, le succès a un goût amer car, selon une confession de l’actrice en octobre 2017, elle a fait l’objet de propositions indécentes d’un réalisateur à l’âge de 13 ans.
Dans les années 1990, elle décide de s’installer aux Etats-Unis. Elle poursuit ses études au sein de la Tisch School of the Arts qui fait partie de l’Université de New York. Elle intègre ensuite l’Actors Studio avant de s’envoler vers Los Angeles.
Julie Delpy endosse des rôles éclectiques. Romantique dans Before Sunrise (1995) dont la suite Before Sunset sort en 2005, elle joue une hongroise du XVIe siècle avec la même aisance dans La Comtesse (2009). Après un premier court-métrage en 1995 (Blah blah blah), elle réalise son premier film Looking for Jimmy en 2002. Cinq ans plus tard, elle réalise son deuxième film Two days in Paris, qui remporte un certain succès. Depuis, Julie Delpy se consacre à la réalisation La Comtesse, Le Skylab, Two days in New York, Lolo…En 2017, elle réalise My Zoe dans lequel elle joue également.
Parallèlement, Julie Delpy s’adonne à la musique, surprenant son public par sa franchise. Son premier album, sorti en 2003, porte son nom. Six ans plus tard, elle compose la bande originale de La Comtesse.
Côté vie privée, Julie Delpy a un fils, Léo, né en 2009 de sa relation avec le musicien Marc Streitenfeld. Mais en 2013, le couple se sépare.