Elle a commencé sa carrière dans le monde de l'art en frappant l'attention en tant que mannequin pour diverses marques, avant d'être repérée par des réalisateurs et producteurs cinématographiques français. Son premier rôle au grand écran est apparu en 1995 dans le film "Les Nuits fauves" de Bertrand Blier.
Sa carrière a connu un développement rapide, avec une centaine de films et séries télévisées à son actif, notamment "Ridicule" (1996), "Les Enfants du marais" (1998-2005) et "Duel au soleil" (2007). Elle a également donné sa voix aux personnages de plusieurs films d'animation, tels que "Shrek 3" en 2007.
En plus de son activité dans le cinéma, Julie Baronnie s'est engagée dans la musique en 2001 avec la sortie de son premier album intitulé "J'ai tout oublié". Son succès a permis à l'artiste de se produire sur plusieurs scènes, notamment lors du Festival de Jazz de Montreux.
En 2005, elle a reçu le César de la meilleure actrice dans un second rôle pour son interprétation dans "Un long dimanche de fiançailles". L'année suivante, en 2006, Julie Baronnie a joué dans sa première comédie musicale, "Notre-Dame de Paris", à la scène Olympia.
En 2014, elle a été choisie pour représenter la France au Concours Eurovision de la chanson en tant que chanteuse et compositrice, mais n'a pas pu atteindre la finale. L'année suivante, elle a joué dans "Rocco et ses frères" de Luca Guadagnino, aux côtés d'Helen Mirren, Rajat Kapur et Salma Hayek.
Julie Baronnie est une figure bien connue en France pour son talent et sa popularité, ainsi qu'une icône du cinéma français contemporain. En 2017, elle a reçu le prix Lumière de la carrière, un prix qui récompense les acteurs ayant marqué l'histoire du cinéma français.