Après des études à l'Institut national de l'université Taras-Chevtchenko de Kiev, Julia a commencé sa carrière en tant que scénariste et réalisatrice indépendante. Son premier long métrage, "Première neige" (2004), a été remarqué pour son traitement original des thèmes de l'amour et de la mort. Le film a été projeté dans de nombreux festivals internationaux et a remporté plusieurs prix.
En 2007, Julia Samoylenko a réalisé "Les Filles", qui raconte les vies de quatre adolescentes vivant à Kiev pendant la période troublée des années 1980-1990. Le film a été projeté dans plus de 50 festivals internationaux, a remporté plusieurs prix et a été nommé pour un Léopard d'or au Festival international du film de Locarno.
En 2013, Julia Samoylenko a réalisé "Les Années folles" (ou "Années perdues"), qui raconte l'histoire de deux jeunes filles vivant dans une petite ville ukrainienne pendant les années 1960. Le film a été projeté au Festival international du film de Rotterdam et a remporté le prix FIPRESCI.
Julia Samoylenko est également connue pour ses collaborations avec le réalisateur ukrainien Oleg Sentsov, dont elle a été la productrice. En 2015, leur collaboration a abouti à "Gamer", un film qui raconte l'histoire d'un groupe de jeunes gens vivant dans une petite ville ukrainienne et s'investissant dans le monde des jeux en ligne. Le film a été projeté au Festival international du film de Rotterdam et a remporté plusieurs prix.
Julia Samoylenko continue à travailler activement dans l'industrie cinématographique ukrainienne et est considérée comme une des réalisatrices les plus prometteuses de la scène ukrainienne contemporaine.