Юлия Пересильд родилась в 1984 году в Пскове. Еще в младшей школе она стала проявлять любовь к сцене, играя в спектаклях. В 11 лет участвовала в конкурсе юных талантов «Утренняя звезда». По окончании школы поступила на факультет русской филологии Псковского государственного педагогического института, но спустя год уехала в Москву, где окончила актерское отделение режиссерского факультета ГИТИСа.
Пересильд дебютировала в кино еще во время учебы в институте в 2003 году. Она сыграла Наташу Кублакову в сериале «Участок», где ее коллегами стали Сергей Безруков, Анна Снаткина, Татьяна Догилева, Ирина Розанова, Павел Деревянко, Алексей Булдаков и Валерий Золотухин. Двумя годами позже она снова встретилась с Безруковым на съемках сериала «Есенин». Он сыграл самого поэта, она — сестру Есенина Екатерину.
До конца нулевых других ярких работ в фильмографии артистки не было. Прорывом в ее карьере стала роль Софьи в драме Алексея Учителя «Край» (2010). В списке проектов Юлии Пересильд немало фильмов и сериалов на военную тематику («Диверсант 2: Конец войны», «Пленный», «Лето волков», «Битва за Севастополь» и другие), а также далеко не самые успешные тайтлы, например, «Пять невест» (2011), «Санта Лючия» (2012) и «О чем молчат девушки» (2013).
В 2015-м актриса сыграла Людмилу Гурченко в одноименном мини-сериале. К работе над образами известных исторических личностей Пересильд вернулась только спустя восемь лет — в прошлом году на экраны вышел художественно-документальный фильм «Императрицы», где она исполнила роль Елизаветы I.
Пересильд представляла проекты на международных площадках, например, дважды — на Каннском кинофестивале. В 2012-м — «В тумане» Сергея Лозницы, в 2021-м — «Петровы в гриппе» Кирилла Серебренникова. Одной из громких ее работ последних лет стала главная роль в картине «Вызов» Клима Шипенко, для съемок ряда сцен в которой актриса и режиссер в сопровождении космонавта «Роскосмоса» Антона Шкаплерова слетали на МКС.
Киноэкипаж отправился на орбиту 5 октября 2021 года. В России фильм вышел 20 апреля 2023 года и заработал более 2,14 миллиарда рублей. В том же году за съемки в «Вызове» Юлия Пересильд получила госпремию в области литературы и искусства.
Актриса не была замужем. Она много лет состояла в отношениях с режиссером Алексеем Учителем, в фильмах которого неоднократно снималась. Они стали родителями двух дочерей — Анны Пересильд в 2009-м и Марии Пересильд в 2013-м, но так и не поженились. Режиссер состоит в браке с Кирой Саксаганской, их развод не был оформлен официально. В августе 2021-го Пересильд сообщила, что они с Учителем расстались. С 2022 года актриса встречается с актером Михаилом Тройником.
Пересильд — лауреат премий «Хрустальная Турандот» (2010), «Золотой орел» (2011, 2016, 2024) и «Ника» (2024).