Джулия Стайлз родилась 28 марта 1981 года 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.
Джулия поучаствовала в целом ряде театральных постановок и снялась в нескольких рекламных роликах, прежде чем попытать себя в кинематографе. Её первый шаг нельзя было назвать удачным: до последнего момента Стайлз считалась главной конкуренткой Кирстен Данст на роль Клодии в культовый фильм «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 2005 закончила Колумбийский университет со степенью по английской литературе. Стайлз — вегетарианка, иногда употребляет в пищу красное мясо, в прошлом была веганом. Называет себя феминисткой, в 2004 написала статью о феминизме в The Guardian.
В 2010 году Джулия Стайлз сыграла роль Люмен Пирс в пятом сезоне популярного телесериала «Декстер». В 2012 году на экраны должны выйти 4 картины с ее участием, среди которых «Секунды удовольствия» и «Под стеклянным колпаком».