Die Tochter eines Chirurgen und einer Antiquitätenhändlerin erhielt ab ihrem achten Lebensjahr Gesangs- und mit 14 Jahren Schauspielunterricht. In London studierte sie Kunstgeschichte und Schauspiel am Actors Studio. Seit 1993 spielte sie in etwa 60 Spielfilmen sowie in Kurzfilmen und Fernsehserien.
Gayet gründete 2007 eine Filmproduktionsgesellschaft namens 'Rouge International'; im April 2012 eine namens 'Amarante International' und im Juli eine namens 'Cinémaphore'.
In der französischen Presse wird Julie Gayet seit März 2013 eine Affäre mit Staatspräsident François Hollande nachgesagt. Noch im selben Monat erstattete sie in Bezug auf die genannten Mutmaßungen Anzeige gegen Unbekannt. Am 10. Januar 2014 veröffentlichte das Magazin Closer Paparazzo-Fotos, welche die Affäre belegen sollten.
