Nacida en un suburbio de Atlanta de padres relacionados con el mundo artístico (fundaron en 1963 el Atlanta Actors and Writers Workshop), quiso estudiar veterinaria, pero al terminar la escuela secundaria su hermana Lisa (también actriz), la convenció de meterse en la actuación. Fue así que a los 17 años comenzó trabajando de modelo para la agencia Click, al tiempo que estudiaba teatro.

En 1986 trabajó en cine en Blood Red junto a su hermano Eric Roberts, también actor. En 1988 debutó en TV en un episodio de Crime Story y ese mismo año trabajó en Satisfaction y en Un pedazo de cielo, película que la reveló como una gran promesa de estrella. Al año siguiente ya había conseguido una nominación al Oscar por Flores de acero. Sin embargo, lo mejor estaba por llegar.

El éxito de Mujer bonita fue impresionante. Julia se convirtió en una estrella internacional y ganó una nueva nominación al Oscar. Desde entonces se preocupó por desarrollar una carrera inteligente, alternando películas taquilleras como El informe Pelícano, de Alan Pakula, con otras menos populares pero dirigidas por cineastas de prestigio -Todos dicen te quiero, de Woody Allen y El secreto de Mary Reilly, de Stephen Frears-.

Ya convertida en la mujer mejor paga de Hollywood, protagonizó dos de las comedias románticas más exitosas de la última etapa de los 90: La boda de mi mejor amigo y Un lugar llamado Notting Hill. En Novia fugitiva volvió a reunirse con Richard Gere, su compañero en Mujer bonita, pero la repercusión no fue la misma. De cualquier modo, no perdió el cetro de única mujer con poder para convocar millones de espectadores con su sola presencia. En el 2000 protagonizó Erin Brockovich, una mujer audaz, de Steven Soderbergh, que terminó dándole el esperado Oscar.