Delpy nació en París, hija de Albert Delpy y Marie Pillet, ambos actores de cine y de teatro de vanguardia. Su padre se crio en Vietnam, Camboya y África Occidental, donde el abuelo de Julie era funcionario colonial.

Animada por el ambiente artístico en que creció, Julie Delpy hizo su debut en el teatro a los cinco años y a los catorce obtuvo su primer papel en el cine en la película Detective, dirigida por Jean-Luc Godard.

Dos años más tarde, Delpy fue elegida como protagonista de la película La Passion Béatrice. Con el sueldo se pagó su primer viaje a Nueva York, yendo a esta ciudad regularmente hasta que se instaló en ella en 1990.

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