Ao interpretar Cinderella numa pantomima de Natal, em 1953, chamou a atenção da diretora Vida Hope, que convidou-a para interpretar Polly Brown na versão americana do musical The Boy Friend (O Namoradinho). O musical da Broadway foi um sucesso e, em 1956, Julie conseguiu o papel de Eliza Doolittle no musical My Fair Lady. Ela interpretou a florista durante dois anos na Broadway e um ano e quatro meses em West End, em Londres, com enorme sucesso.

Em 1960 estrelou Camelot, ao lado de Richard Burton. Pouco depois nascia Emma Kate, sua única filha com Tony Walton, seu primeiro marido. Walt Disney encantou-se com Julie, ao vê-la no papel da rainha Guenevere, em Camelot. Chamou-a, então, para protagonizar Mary Poppins, a adorável babá que vem voando dos céus, e pelo qual ganhou o Oscar de melhor atriz do ano de 1964. Havia acabado de conquistar o prêmio máximo do cinema justamente com seu filme de estréia. Em 1966, ela recebeu uma indicação para o prêmio, na mesma categoria, por sua atuação em A Noviça Rebelde, filme que consagrou-a mundialmente. Foi um tremendo sucesso de bilheteria na época, quebrando todos os recordes, e conquistando cinco Oscars. Pessoas de várias gerações em todo o mundo sempre tiveram enorme fascinação pela ex-freira que conquistou o coração do capitão austríaco e suas crianças.

Julie atuou em filmes musicais, dramas e suspense. Após filmar Lili, Minha Adorável Espiã, em 1969, de Blake Edwards, casou-se com o diretor e ainda permanecem casados até hoje. Por sua atuação em Vitor ou Vitória, Julie recebeu sua terceira indicação ao Oscar. Em 1995, ela fez um retorno triunfal à Broadway com a versão teatral do mesmo filme. Desde a divulgação de que a atriz havia perdido a voz, resultado de uma operação mal sucedida, fãs do mundo inteiro ficaram tristes com a notícia. Mas na entrega do Tony Awards, ao lado de Carol Burnett, sua amiga há quarenta anos, Julie demonstrou estar se recuperando plenamente. Em 2004, no filme Diários da Princesa 2, a encantadora produção da Walt Disney, Julie interpreta uma canção pela primeira vez após sete anos.