Джулия Стайлз родилась в Нью-Йорке старшей из троих детей в семье учителя начальных классов Джона О’Хары и свободной нью-йоркской художницы Джудит Стайлз. От родителей Стайлз унаследовала ирландские, итальянские и английские корни. Сестру и брата Джулии зовут Джейн и Джонни. Девочка с самых ранних лет занималась современными танцами, что в определённой мере способствовало её интересу к Шекспиру и современному театру. Уже в 11 лет Джулия дебютировала на театральной сцене в составе экспериментальной труппы La MaMa Theatre. В 2005 году окончила Колумбийский университет со степенью по английской литературе.

Джулия участвовала в целом ряде театральных постановок и снялась в нескольких рекламных роликах, прежде чем испробовать свои силы в кинематографе. Её первый шаг нельзя было назвать удачным: до последнего момента Стайлз считалась главной конкуренткой Кирстен Данст на роль Клодии в фильме «Интервью с вампиром», однако проиграла эту «схватку».

В начале 2000-х годов актриса появляется в фильмах «Только ты и я», «Жизнь за кадром», «За мной последний танец», «Идентификация Борна». В 2003—2004 годах снялась в лентах «Мальчишник», «Каролина», «Улыбка Моны Лизы», «Принц и я», «Превосходство Борна».

В 2010 году Джулия Стайлз сыграла роль Люмен Пирс в пятом сезоне популярного телесериала «Декстер».

В 2012 году на экраны вышли пять картин с участием Джулии, среди которых «Это — катастрофа» и «Мой парень — псих».

С 2012 по 2014 годы Стайлз снималась в веб-сериале под названием «Блю». Джулия играла мать-одиночку, воспитывающую 13-летнего сына, которая днём работает в офисе, а ночью — «девушкой по вызову», чтобы свести концы с концами и дать сыну всё необходимое. За свою работу в «Блю», она удостоилась двух наград IAWTV Awards в 2013 и 2014 годах.

3 января 2016 года она объявила о своей помолвке с помощником оператора Престоном Джей Куком, с которым она работала в 2015 году в фильме «Идём со мной». В сентябре 2017 года они поженились. 20 октября 2017 года родился сын Страммер Ньюкомб Кук.