Юлия родилась в 82 или в 83 годах до н. э. в семье Гая Юлия Цезаря и его первой жены, Корнелии Цинны, дочери Луции Корнелия Цинны.
Её мать умирает в 68 до н. э. при родах и воспитанием Юлии занимается её бабка, мать Цезаря, Аврелия Котта.
Как и большинство знатных патрицианок, Юлия была ещё одним инструментом в руках своего отца, который помогал ему делать карьеру.
Сначала Цезарь планировал выдать её замуж за Фавста Корнелия Суллу, но в 67 до н. э. Сервилия предлагает ему заключить помолвку между Юлией и её сыном от первого брака Марком Юнием Брутом. Цезарь соглашается на это.
Однако, когда подошло время бракосочетания, Цезарь разрывает помолвку, выплачивает Бруту обещанное приданое — 100 талантов золотом, и выдает Юлию за своего политического соратника Помпея Великого.
Бракосочетание проходило по обряду, называемому confarreatio — самому торжественному и сложному обряду бракосочетания, к которому допускались только патриции. По этому обряду невеста передавалась из рук отца в руки жениха, и это подчёркивало полную зависимость жены от мужа. Церемония проводилась в присутствии великого понтифика и фламина Юпитера. Расторжение такого брака было практически невозможно.
Похоже, что этот брак был счастливым. Хотя разница между супругами составляла около 23 лет. Согласно Плутарху, молодожены души друг в друге не чаяли. Юлия была красива и добродетельна до такой степени, что Помпей, даже, утерял на какое-то время интерес к политике в пользу дома и семьи.
Детей у пары не было. Первые роды Юлии закончились выкидышем в 55 до н. э. Случилось это из-за того, что на выборах эдилов того года на форуме произошли беспорядки и тогу Помпея забрызгали кровью. Когда раб принёс её в дом, Юлия потеряла сознание, думая что Помпей убит, и это привело к преждевременным родам.
В августе 54 до н. э., при родах, Юлия умирает. Её ребёнок, скорее всего девочка, не выживает и умирает через несколько дней после матери.
Гор е Помпея было безутешным. Он хотел похоронить Юлию на своей вилле Албанских холмах, однако римляне, очень хорошо относившиеся к Юлии, потребовали захоронения её праха на Марсовом поле. Помпею необходимо было получить на это разрешение сената.
На слушаньях консул того года, Луций Домиций Агенобарб, попытался противостоять принятию такого разрешения, однако сенат высказался за. Прах Юлии был похоронен на Марсовом поле.
Вскоре после её смерти Помпей и Цезарь становятся врагами. К середине 50-х годов I века до н. э. Юлия была единственным звеном, связывающим этих двоих людей.
Цезарь очень скорбел о Юлии. В 46 до н. э. он провёл в августе игры в её честь. Также в честь Юлии были названы несколько городов — Colonia Iulia, в том числе город Гелиополис (совр. Баальбек, Ливан).
В 44 до н. э. рядом с местом захоронения Юлии предполагалось сжечь тело Цезаря, однако Марк Антоний решил, что лучшим местом будет форум.