Юлия Сергеевна Пересильд родилась 5 сентября 1984 года в Пскове. Ее семья была самой обычной: мать работала в детском саду, а отец по словам самой актрисы «умел все, но ни в чем не состоялся». Он пытался заниматься бизнесом, но успехов не добился. Его убили, когда Юле было 11. В дальнейшем ее мать снова вышла замуж, и девочку воспитывал отчим.
Актерский талант проявился у Юлии с детства. Она активно участвовала в школьной самодеятельности, играла в театре. В 11 лет участвовала в телепрограмме «Утренняя звезда».
После школы попыталась поступить в МХАТ, но неудачно. Год проучилась на филологическом факультете Псковского педагогического университета и уехала в Москву. В ГИТИСе ей предложили выбор между актерским и режиссерским факультетами. В 2006 она окончила актёрское отделение режиссёрского факультета Российскую академию театрального искусства – ГИТИС (мастерская Олега Кудряшова).
В 18 лет Юлия дебютировала в кино, сыграв роль в сериале «Участок», а первую главную роль сыграла в вышедшей в 2005 году мелодраме «Принцесса и нищий». С 2007 года в качестве приглашенной актрисы принимала участие в спектаклях Театра Наций. Также сотрудничала со «Школой современной пьесы», Театром на Малой Бронной.
В 2010 году получила престижную театральную премию «Хрустальная Турандот» в номинации «Лучшая женская роль» за роль польки Гелены в спектакле «Варшавская мелодия», а через год – премию «Золотой орел» за роль Софьи в фильме «Край» в номинации «Лучшая женская роль второго плана». В 2010-м эту же роль отметила премией «Белый слон» Гильдия киноведов и кинокритиков.
Знаковой в карьере Юлии стала и роль Людмилы Павличенко в фильме «Битва за Севастополь». Эту работу отметили премией «Золотой орел» (номинация «За лучшую женскую роль» в 2016 году) и международного Пекинского кинофестиваля (номинация «За лучшую женскую роль» в 2015 году), Премией Правительства в области культуры (2016). В 2018 году Пересильд было присвоено звание Заслуженной артистки РФ.
Среди других её наиболее известных киноработ – роли в фильмах: «Край» (2010), «Зимнее танго» (2011), «Пять невест» (2011), «Палач» (2014), «Людмила Гурченко» (2015), «Золотая Орда» (2018), «Трое» (2020) и другие. По праву беспрецедентными считаются съемки актрисы в фильме «Вызов» (2023), ведь они частично происходили в космосе. За исполнение главной роли в этой картине Юлия Пересильд получила целый ряд наград, включая Государственную премию РФ в области литературы и искусства, «Нику», специальный «Золотой орел» и другие.
Всего в фильмографии актрисы более чем 50 фильмов и сериалов. Известна она и своим участием в различных телепроектах, и как соучредитель благотворительного фонда помощи детям и молодежи «Галчонок».
В настоящее время Юлия Пересильд продолжает активную творческую деятельность, живёт и работает в Москве.