Née le 28 mars 1981 à New York, aux États-Unis, Julia Stiles a grandi dans une famille d'artistes, son père étant producteur et sa mère actrice et écrivain. Ainsi, le milieu artistique était omniprésent dès sa naissance.
À l'âge de 11 ans, Julia Stiles fit ses premiers pas dans la comédie musicale à Broadway, dans la pièce Cabaret. À 15 ans, elle décrocha son premier rôle cinématographique pour le film I Love You, I Love You Not. Mais c'est sa participation à la saga de films d'espionnage James Bond que la propulsée vers une notoriété mondiale. Elle incarna l'agent du MI6, Niobe Parsons, dans les films Die Another Day (2002) et The Bourne Ultimatum (2007).
Pour autant, c'est sans doute son rôle emblématique de Nicky Nichols dans la saga à succès Scream, que Julia Stiles est connue de beaucoup plus jeunes que ses 40 ans. La série originale Netflix, Riviera, ou encore les films Edge of Tomorrow et Save the Last Dance constituent quelques autres des étapes marquantes de son parcours cinématographique.
En 2019, Julia Stiles fit ses débuts à la télévision en tant que productrice exécutive, avec la série originale Netflix Dirty John, où elle joue également le rôle principal. Elle a depuis produit et joué dans plusieurs autres séries télévisées, notamment Riviera (2017-2020) et Good Witch (2020).
Julia Stiles possède aussi une forte engagement politique et est une fervente défenseure des droits des femmes et de l'environnement. Elle est impliquée dans diverses campagnes humanitaires, notamment en faveur de la lutte contre le réchauffement climatique et pour les droits des femmes aux États-Unis.