Sie ist sowohl in ihrem Heimatland als auch in den USA als Schauspielerin, Sängerin und Regisseurin tätig und bekannt. Delpy stammt aus einer Schauspielerfamilie: Vater Albert und Mutter Marie haben in zahlreichen Filmen und Serien mitgewirkt, so dass auch Tochter Julie bereits in jungen Jahren mit dem Film- und Fernsehgeschäft in Berührung kam.

Direkt nach ihrem Schulabschluss bemühte sie sich um Engagements als Schauspielerin. Das Geld, das Delpy anfangs verdiente, sparte sie für ein Filmstudium an der New Yorker Universität, die sie bis zu Beginn der 1990er-Jahre besuchte. Anschließend zog sie nach Los Angeles, wo sie auch heute noch lebt. Delpy lernte im Jahr 2004 Marc Streitenfeld kennen, einen erfolgreichen deutschen Filmkomponisten. Mit ihm war sie bis 2013 liiert. Der gemeinsame Sohn namens Leo kam 2009 zur Welt.