Après des études en lettres modernes à la faculté de Nanterre, elle commence sa carrière au début des années 1980 en tant qu'assistante de production et de scénariste pour Antenne 2. En 1985, elle se lance dans le journalisme en devenant reporter pour l'émission « Télématin » sur France 2.
En 1986, Julie Villers rejoint la chaîne M6 et présente son premier grand magazine, « On a tout essayé », qui connaît un grand succès. Pendant plusieurs années, elle présente des émissions de divertissement et culturelles sur M6, comme « Les Enfants de la télé » (1988), « Téléthon Marche » (1990) ou encore « C'est mon choix » (1992).
En 1994, elle rejoint le groupe TF1 pour présenter son magazine « Julie » et elle devient la porte-parole des Jeux Paralympiques d'hiver de Lillehammer en Norvège. En 1995, elle présente l'émission « Les Années 80 » sur France 2.
En 1996, Julie Villers revient sur M6 pour devenir la présentatrice de l'émission « Le Grand Échiquier ». De 1997 à 2004, elle présente avec Frédéric Taddeï l'émission quotidienne d'actualité « C'est au programme », qui connaît un important succès.
En parallèle de sa carrière d'animatrice de télévision, Julie Villers poursuit une carrière d'actrice, apparaissant notamment dans les films « Les Visiteurs » (1993) et « Les Enfants du marais » (2006).
En 2005, elle quitte M6 pour rejoindre France 3 où elle présente l'émission culturelle « Mots d'images ». Elle est également la voix de la série animée « Les Sims 2 : Vie en ville » et participe à l'émission de variétés « Nulle part ailleurs » sur France 2.
En 2016, Julie Villers présente le magazine culinaire « Manger en France » sur France 5. Depuis 2017, elle est chroniqueuse culturelle à la télévision suisse RTS Un et présente l'émission « Les Visiteurs de Julie Villers ».
Julie Villers est également engagée dans des actions caritatives, notamment en faveur des personnes atteintes de maladies rares. En 2018, elle est élue députée européenne du parti La République en Marche.