Figlia di un chirurgo e di un'antiquaria, ha ricevuto lezioni di canto dall'età di otto anni e lezioni di recitazione all'età di 14 anni. Ha studiato storia dell'arte e recitazione all'Actors Studio.[2] Ha poi studiato alla scuola di teatro di Tania Balachova, si è formata in abilità circensi presso l'Accademia Fratellini e ha studiato canto lirico con Tosca Marmor. Studia anche storia dell'arte, psicologia e cinematografia all'Università Sorbonne Nouvelle.[3]
Dal 2003 al 2006, Gayet è stata sposata con il regista argentino Santiago Amigorena; dal matrimonio con questi sono nati due figli che vivono con il padre.[4]
Il 10 gennaio 2014 è oggetto di uno scoop del giornale scandalistico Closer per la sua relazione sentimentale con il presidente francese François Hollande. Alcune voci circa questa relazione circolavano almeno dal marzo 2013 e, a seguito di questo scoop, il 25 gennaio, Hollande ha annunciato la fine della relazione con Valérie Trierweiler.
Sabato 4 giugno 2022 Julie Gayet e François Hollande si sono sposati civilmente in segreto a Tulle.[4]
Inizia la sua carriera nel 1992, apparendo in un episodio di Premiers Baisers; il suo debutto al cinema avviene l'anno seguente nel film La piccola apocalisse del regista Costa-Gavras. Dal 1993 è apparsa in più di 100 lungometraggi, cortometraggi e serie televisive. Ha vinto numerosi premi, tra i quali spicca il Prix Romy Schneider nel 1997 per Sélect Hôtel.
Gayet ha fondato la società di produzione cinematografica "Rouge International" nel 2007 e altre due nell'aprile e luglio 2012: "Amarante International" e "Cinémaphore". Come produttrice, è stata coinvolta in quasi due dozzine di produzioni.