Julio Medem est diplômé en médecine et chirurgie générale. Il collabore à de nombreuses revues dont le quotidien La Voz de Euskadi pour laquelle il s'occupe de la critique cinéma. A partir de 1974, il filme des courts métrages grâce à une caméra 8 mm et devient chef monteur sur les films de Koldo Eizaguire.
Au début des années 90, il décide de se consacrer entièrement à sa carrière cinématographique. En 1991, il réalise ainsi son premier long Vacas, l'histoire de deux familles rivales dans le Pays Basque de la fin du XIXe siècle. Ce film lui permet d'ailleurs d'obtenir le Goya du meilleur jeune réalisateur. L'année suivante, il tourne L' Ecureuil rouge, une rencontre amoureuse entre une amnésique et un jeune paumé avec Emma Suarez et Nancho Novo. En 1996, il signe Tierra et aborde à nouveaux ses thèmes de prédilections que sont la famille, la mort, les multiples et étranges facettes d'une même personnalité.
En 1998, Julio Medem se fait connaitre sur la scène internationale avec Les Amants du cercle polaire, une romance très lyrique avec Najwa Nimri et Fele Martinez. En 2001, il tourne Lucia y el sexo, l'histoire d'une serveuse de restaurant qui découvre peu peu les coins obscurs de sa relation passée avec un écrivain de Madrid. Il réalise deux ans plus tard un documentaire, La Pelote basque : la peau contre la pierre sur le conflit basque en proposant aux différentes parties un dialogue.
En 2010 sort en France son film Caótica Ana, qui met en scène Charlotte Rampling et Nicolas Cazalé, accompagnant une débutante Manuela Vellés dans une quête initiatique mouvementée.
