Julie Bataille fait ses débuts au cinéma à l'âge de 13 ans, aux côtés de Béatrice Dalle dans Chimère de Claire Devers, présenté au festival de Cannes.

Elle retrouve l'actrice Béatrice Dalle quelques années plus tard dans Clubbed to Death (Lola) (1997). Entre-temps en 1990, Diane Kurys lui offre un premier rôle dans La Baule-les-Pins, aux côtés de Nathalie Baye et Richard Berry.

Après quelques apparitions dans des séries télévisées (Julie Lescault, Nestor Burma) l'actrice marque les esprits dans le rôle de Pamela Rose dans Mais qui a tué Pamela Rose ?, film désormais culte d'Éric Lartigau. C'est à la télévision que Julie Bataille s'impose pendant 14 épisodes de Sauveur Giordano de 2001 à 2007, aux côtés de Pierre Arditi avec qui elle forme un duo de choc père/fille.

Elle reste rare sur grand écran, malgré un rôle fougueux aux côtés de Steve Buscemi dans le segment "Tuileries" de Paris, je t'aime (2006), des frères Coen.

Après 6 ans loin des plateaux, l'actrice revient en 2013 devant la caméra de Claire Denis dans le film noir Les Salauds, face à Vincent Lindon et Chiara Mastroianni.