Urodził się w Rzymie, około roku 300. Jego ojcem był Rustyk (Rustykus). Nie wiemy zbyt wiele o jego życiu przed wstąpieniem na tron piotrowy.
Jego poprzednik, św. Marek, rządził Kościołem zaledwie kilka miesięcy. Po jego śmierci nastąpił aż czteromiesięczny okres tzw. sede vacante. Juliusz I został wybrany na Papieża 6 lutego 337 roku.
Po trzech miesiącach, w maju 337 roku umiera cesarz Konstantyn I Wielki. Konstantyn był synem cesarza Konstancjusza Chlorusa i św. Heleny. To on właśnie wydał w 313 roku tzw. Edykt Mediolański, który dawał chrześcijanom swobodę wyznawania swojej religii i kończył oficjalne, urzędowe prześladowania. Konstantyn był też pierwszym cesarzem, który przyjął chrzest.
Konstantyn był ostatnim władcą zjednoczonego cesarstwa. Po jego śmierci nastąpił podział na Wschód i Zachód, a w ślad za nim podział na Kościół wschodni i zachodni. Zmieniła się też polityka cesarzy względem papiestwa.
Cesarz Konstantyn zwołał pierwszy Sobór powszechny w Nicei, w 325 roku. Zajął się on m.in. herezją Ariusza. Sobór wypracował wyznanie wiary, które popierał Kościół zachodni, pod przewodnictwem Rzymu, oraz kilku biskupów Kościoła wschodniego. Pozostali biskupi wschodni, pod egidą Konstantynopola, ówczesnej stolicy cesarstwa i siedziby patriarchy, popierali wyznanie ariańskie. Na tym tle doszło do sporów. Juliusz I napisał wtedy list do biskupów Kościoła wschodniego, przypominając o autorytecie i prymacie Rzymu.
Papież bardzo zdecydowanie wystąpił w obronie św. Atanazego, biskupa Aleksandrii, przeciwko euzebianom, zwolennikom Ariusza. Odrzucał skargi zwolenników Euzebiusza, biskupa Konstantynopola. Kiedy Atanazy wraz z innymi biskupami zostali wygnani ze swoich stolic, Juliusz I przyjął ich w Rzymie w roku 339.
Jedną z prerogatyw papieża było rozstrzyganie sporów. Juliusz I zwołał synod w Rzymie, który się odbył w latach 340-341. Uchwały synodu wraz z listem Papieża przesłano do biskupów wschodnich. Juliusz wprowadził wtedy prawo odwoływania się biskupów do papieża.
Podobne rozstrzygnięcia zapadły na synodzie w Sardyce (dzisiejsza Sofia w Bułgarii), który się odbył w roku 342. Ogłoszono wtedy szereg postanowień odnoszących się do zwierzchności biskupa Rzymu. Synod wprowadził też prawo, że złożony z urzędu biskup mógł odwołać się do papieża. Papież mógł zatwierdzić postanowienie, albo zarządzić nowe dochodzenie. W przypadku ponownego odwołania się biskupa, papież miał głos ostateczny.
Juliusz I rządził z łagodnością i dobrocią. Miał wielkie poważanie i wzmocnił autorytet papiestwa. Zabiegał o czystość wiary. W rozpadającym się porządku po podziale cesarstwa, chciał zagwarantować Rzymowi odpowiednie miejsce, a także odpowiednie miejsce dla stolicy piotrowej. Rozwinął administrację kościelną, stworzył początki Archiwum Watykańskiego, powołał notariuszy, którzy prowadzili kancelarię papieską.
Juliusz I wprowadził do liturgii obchody Świąt Bożego Narodzenia.
Zmarł w 352 roku w Rzymie. Pochowano go w katakumbach św. Kalepodiusza.
Wybudował bazylikę juliańską, kościół Dwunastu Apostołów i Bazylikę NMP na Zatybrzu, gdzie przeniesiono w 790 roku jego relikwie.
W ikonografii przedstawiany jest w stroju papieskim. Jego atrybuty to paliusz, mitra, katedra, zwój i księga.