Юлия Пересильд родилась 5 сентября 1984 года в Пскове. Родители будущей актрисы не имели к искусству никакого отношения. Отец — Сергей Пересильд, писал иконы. Мать работала воспитательницей в детском саду.
В юности будущая звезда планировала стать филологом. В одиннадцатилетнем возрасте Юля попала в телешоу «Утренняя звезда». Окончив школу, Юля поступила Псковский педагогический институт на факультет русской филологии.
Во время учебы в университете Юлия Пересильд и Вячеслав Рахман создали дуэт «Ночной перрон», к которому они сами придумывали слова и музыку. Некоторое время они гастролировали с концертами по городам страны.
Отучившись в вузе год, Пересильд втайне от родителей бросила учебу и поехала в Москву, где подала документы в несколько театральных вузов, однако в итоге поступила в Российскую академию театрального искусства (РАТИ) на курс Олега Кудряшова. Дипломными спектаклями молодой артистки были: «Троянки», «Синяя борода — надежда женщин», «Вий» и «Колесо фортуны».
В 2003 году, будучи студенткой, Пересильд дебютировала в кино, сыграв Наташу Кублакову в сериале «Участок».
Окончив РАТИ в 2006 году, Юлия стала сотрудничать с разными московскими театрами. Среди ее работ, роли в спектаклях: «Холостой Мольер» («Школа современной пьесы», 2006), «Figaro. События одного дня» (Театральная компания Евгения Миронова, 2006), «Варшавская мелодия» (театр на Малой Бронной, 2009) и «ЛЮБЛЯ. Офисная любовь» (Клубный театр, 2011).
В 2007 году Юлия Пересильд начала играть в «Театре Наций» (худ. рук. — Евгений Миронов), где исполнила роли в постановках: «Снегири», «Шведская спичка», «Рассказы Шукшина», «Киллер Джо», «Фрекен Жюли», «Женихи» и «Электра».
Широкая известность пришла к актрисе в 2010 году после роли Софьи в драме режиссера Алексея Учителя «Край». Эта работа принесла актрисе любовь зрителей и престижные премии «Золотой орел» и «Белый слон» в номинации «Лучшая женская роль второго плана».
Юлия Пересильд сыграла около 50 ролей в фильмах и сериалах, среди которых: «Принцесса и нищий» (2005), «Есенин» (2005), «Невеста» (2006), «Карамболь» (2006), «Заколдованный участок» (2006), «Предел желаний» (2007), «Паутина» (2007), «Ловушка» (2007), «На пути к сердцу» (2007), «Диверсант. Конец войны» (2007), «Я вернусь» (2008), «Пленный» (2008), «Однажды в провинции» (2008), «Крепость» (2008), «Похищение» (2008), «Алиса навсегда» (2008), «Короткое замыкание (киноальманах) новелла «Поцелуй реветки» (2009), «Край» (2010), «Разлучница» (2010), «Подсадной» (2010), «Карусель» (2010), «Капли крови на цветущем вереске (Лето волков)» (2011), «Пять невест» (2011), «Дело гастронома № 1» (2011), «Зимнее танго» (2011), «Зоннентау» (2012), «Санта Лючия» (2012), «В тумане» (2012), «Марафон» (2012), «Weekend» (2013), «О чем молчат девушки» (2013), «Параджанов» (2013), «Восьмерка» (2013) «Охота на крокодилов» (выйдет в 2014), «Музыка во льду» (выйдет в 2014), «Битва за Севастополь» (выйдет в 2015) и др.
С 2016 по 2021 актриса снялась в таких популярных фильмах и сериалах, как «Герой», «Холодное танго», «Золотая Орда», «Зулейха открывает глаза», «Трое «Черновик», «Угрюм-река» и др.
В 2021 году Юлия Пересильд была утверждена госкорпорацией «Роскосмос» для космического полета на Международную космическую станцию (МКС) с целью съемок художественного фильма «Вызов». В мае 2021 года актриса вместе с режиссером Климом Шипенко начали подготовку, включающую тренировки на центрифуге, вибростенде, ознакомительные полеты на самолете в условиях невесомости и парашютную подготовку.
5 октября 2021 года в 11:55 по московскому времени Пересильд и Шипенко отправились на корабле «Союз МС-19» (командиром экипажа был космонавт Антон Шкаплеров) с космодрома Байконур и уже в 15:22 успешно пристыковались к МКС. Они провели в космосе около 12 дней, после чего вернулись на Землю 17 октября 2021 года на борту спускаемого аппарата корабля «Союз МС-18», которым командовал космонавт Олег Новицкий.
В 2022 году артистка сыграла роль Нины в драме режиссера Оксаны Бычковой «Джонджоли» (международное рабочее название NINA), мировая премьера которой состоялась в июне 2023 года на 25-м Международном кинофестивале в Шанхае.
В 2023-м Юлия исполнила главные роли в кинолентах «Счастье мое», «Вызов», «Императрицы» и сериале «Киберпапа».
В 2024-м Пересильд сыграла Бабу-Ягу в сериале «Последний богатырь. Наследие», мать Трубадура в музыкальном фильме-сказке «Бременские музыканты»
В январе 2025 года состоялась премьера фэнтезийно-приключенческого фильма «Финист. Первый богатырь», где Юлия Пересильд сыграла Бабу Ягу в молодости.