Năm 1984, ở tuổi mười bốn, tài năng của Delpy sớm bộc lộ, cô còn được đạo diễn Jean-Luc Godard chọn để đóng trong phim Détective (1985). Hai năm sau, Delpy đóng vai chính trong trong phim của Bertrand Tavernier - La Passion Béatrice (1987). Với diễn xuất của mình trong phim, Delpy được đề cử giải César cho Nữ diễn viên triển vọng nhất. Cô dùng số tiền kiếm được để chi trả cho chuyến đi đầu tiên đến thành phố New York.

Từ sau khi tham gia bộ phim Europa Europa (1990) của đạo diễn Agnieszka Holland, Julie vươn lên vị trí ngôi sao quốc tế. Trong phim, cô vào vai một người ủng hộ Đức quốc xã trẻ tuổi, đem lòng yêu say đắm anh hùng Solomon Perel mà không hay biết rằng anh ta là người Do Thái. Vì không nói được tiếng Đức nên Julie đã diễn vai của mình bằng tiếng Anh rồi sau đó được người khác lồng tiếng.

Sau thành công của Europa Europa, Delpy xuất hiện trong một số bộ phim Hollywood và phim châu Âu, bao gồm Voyager (1991) và The Three Musketeers (1993). Cô tiếp tục tham gia một số phim khác.

Nhờ vai nữ chính trong series phim Before Sunrise của đạo diễn Richard Linklater năm 1995, tài năng của Julie đuọc công nhận rộng rãi, ngoài ra phần lớn lời thoại của mình trong phim hầu hết đều do cô tự tay sáng tác. Bộ phim nhận được nhiều đánh giá tích cực và được coi là một trong những tác phẩm điện ảnh quan trọng nhất của phong trào phim độc lập những năm 90. Thành công của Before Sunrise đã giúp Julie được chọn vào vai nữ chính trong bộ phim Mỹ An American Werewolf in Paris.

Julie tiếp tục đóng các phần tiếp theo của Before Sunrise. Ngoài việc thủ vai nữ chính, Julie còn tham gia vào công đoạn viết kịch bản cho phim, nhờ đó cô thắng giải Academy cho Phim chuyển thể hay nhất.

Cuối năm 2001, Julie đóng cặp cùng diễn viên hài Martin Short trong bộ phim ngắn 30 phút CinéMagique, phim được trình chiếu nhiều lần mỗi ngày tại Công viên Walt Disney ở Disneyland Paris. CinéMagique đã giành được giải thưởng của Hiệp hội giải trí năm 2002.

Năm 2009, Julie đóng vai Elizabeth Báthory trong The Countess, cũng là bộ phim thứ ba của cô với tư cách là đạo diễn. Phim còn có sự tham gia của Daniel Brühl và William Hurt.