Gayet s-a născut în Suresnes, Hauts-de-Seine, unde tatăl ei, Brice Gayet, este profesor și șef al chirurgiei gastrice la Institutul Mutualist Montsouris. A fost fostul șef al clinicii de la Spitalul Lariboisière și lector la Facultatea Xavier Bichat de la Universitatea Paris Diderot. Mama ei este comerciant de antichități. Bunicul ei patern, Alain Gayet, a fost de asemenea chirurg și a devenit Compagnon de la Libération după Al Doilea Război Mondial. A primit o educație intelectuală de orientare social-liberală.
Gayet a studiat istoria artei și psihologia la universitate, abilități de circ la școala de circ a familiei Fratellini și cânt vocal operatic sub îndrumarea Tosca Marmor. La vârsta de 17 ani, a studiat la Actors Studio din Londra cu Jack Waltzer, apoi a continuat la Școala Tania Balachova din Paris.
Gayet și-a făcut debutul în actorie într-un episod din 1992 al serialului TV francez Premiers baisers și a avut primul său rol în film ca figurant în Three Colors: Blue (1993), dar primul său rol notabil a fost în comedia din 1996 Delphine 1, Yvan 0, regizată de Dominique Farrugia.
Performanțele sale muzicale includ apariții în videoclipuri pentru Benjamin Biolay și un duet cu Marc Lavoine.
În 2007, a fondat propria companie de producție, Rouge International, împreună cu Nadia Turincev și a produs filme precum The Ride de Stephanie Gillard, Fix me de palestinianul Raed Andonia și Bonsai de Cristian Jimenez din Chile.
În 2013, Gayet a co-regizat împreună cu Mathieu Busson documentarul Cinéast(e)s, care prezintă 20 de regizoare de film franceze.
Gayet a apărut pe coperta numărului din 17 ianuarie 2014 al revistei franceze Elle. Numărul a fost disponibil la chioșcuri pe 15 ianuarie 2014, cu două zile înainte de data sa obișnuită de lansare. Titlul era "Julie Gayet, actriță și femeie angajată, o pasiune france