Fille d'un chirurgien et d'une antiquaire, Julie Gayet se passionne très tôt pour le monde du spectacle. Après avoir appris le piano, elle se lance, adolescente, dans le chant lyrique, et part à Londres à 17 ans pour suivre les cours de Jack Waltzer, membre de l'Actor's Studio. Egalement passée par l'Ecole du Cirque, elle étudie par ailleurs l'Histoire de l'art et la psychologie à l'université. Figurante dans Bleu de Kieslowski en 1993, Julie Gayet trouve la même année son premier vrai rôle, celui d'une séduisante funambule, dans A la belle étoile. Deux ans plus tard, Agnes Varda la choisit pour incarner l'étudiante qui part à la rencontre de Monsieur Cinéma, alias Michel Piccoli, dans Les Cent et une nuits, hommage malicieux au 7e Art centenaire. En 1996, elle est l'héroine de deux films qui permettent de dévoiler différentes facettes de son talent : la comédie à succès Delphine 1 - Yvan 0 de Dominique Farrugia et Select Hotel de Laurent Bouhnik, dans lequel elle incarne une prostituée junkie, composition qui lui vaut le Prix Romy Schneider.Louée pour son naturel, Julie Gayet se plaît à changer d'allure et de registre de film en film : lesbienne dans Pourquoi pas moi?, aveugle dans Ma caméra et moi, elle campe une coiffeuse amoureuse de l'indécis Pascal Greggory dans La Confusion des genres en 2000. Cette actrice qui sait allier espièglerie et sensibilité, participe volontiers à des premiers films (La Turbulence des fluides, Clara et moi en 2004), ce qui ne l'empêche pas de tourner avec Michel Deville (Un monde presque paisible en 2002) ou Jean-Pierre Limosin (Novo). En 2004, elle part en Ecosse pour le tournage de la love story gothique A woman in winter et en Algérie pour celui de Bab el web, une comédie de Merzak Allouache avant de participer en 2007 à une comédie très française, Un baiser s'il vous plaît d'Emmanuel Mouret.
Sa carrière continue de plus belle puisqu'elle est invitée à prêter sa voix à l'un des personnages du film d'animation Kérity la maison des contes en 2009, avant de camper une belle-soeur un peu coincée dans la comédie Pièce montée. En 2010, elle découvre la casquette de productrice, d'abord pour le film Huit fois debout, dans lequel elle est aussi l'actrice principale, puis pour le film Les Secrets de Raja Amari.
Julie Gayet prouve une nouvelle fois son aisance à naviguer d'un genre à l'autre, du thriller Sans laisser de traces au film pour enfants, , pour lequel elle prête sa voix. En 2011, l'actrice se tourne plus précisément vers la comédie romantique entre de François Lunel et de Guy Mazarguil, dans lequel Mathieu Demy tombe amoureux d'elle, dix sept ans après leur première collaboration sur A la belle étoile.
