De nombre real Julia Elizabeth Wells, nació en Walton-on-Thames, en el condado de Surrey, del matrimonio entre un maestro y una pianista. Más tarde los padres de Julie se divorciaron y su madre se volvió a casar con un actor, Ted Andrews, y a la pequeña Julie le cambiaron el apellido de Wells a Andrews. Ya desde muy joven, la pequeña Julie dio muestra de su talento y de una gran voz, llegando a tener un rango vocal de entre la cuarta y la quinta octava, por lo que sus padres hicieron que recibiera clases de canto para que desarrollara sus habilidades vocales. Su primer contacto con la industria del espectáculo se dio con sus padres en un espectáculo de vodevil.

Sus primeras actuaciones tuvieron lugar durante la Segunda Guerra Mundial, entreteniendo a las tropas británicas por todo el Reino Unido junto a la también joven artista Petula Clark.

Su primera interpretación en el teatro fue en el London Hippodrome de Londres, en 1947, con la obra Starlight roof, posteriormente con una versión de Cinderella. Su debut en Estados Unidos se produjo en 1954, en la producción de Broadway The Boy friend.

En 1956, los compositores Frederick Loewe y Alan Jay Lerner contratan a Andrews para que protagonizara, junto a Rex Harrison, la obra de teatro My fair lady, basada en la obra Pygmalion de George Bernard Shaw. Esta obra fue un éxito tanto de taquilla como de público, y años después fue llevada al cine, esta vez protagonizada por Audrey Hepburn.

En 1961, los mismos productores vuelven a contratar a Julie Andrews para que protagonizara su nueva obra teatral. Esta vez se trata de una adaptación de la leyenda del Rey Arturo, a la que llaman Camelot. La representación vuelve a ser un éxito y empieza a dar fama a la actriz dentro del mundo artístico.

Después de perder el papel en la versión cinematográfica de My fair lady, Julie Andrews consigue el papel protagonista en una de las películas que con el tiempo se convertiría en un clásico de Disney: Mary Poppins. Por su papel en esta película, en la que interpreta a una niñera muy especial cuyo trabajo es educar a los dos hijos de un matrimonio londinense, la actriz ganó el Óscar a la mejor actriz y el Globo de Oro a la mejor actriz de comedia o musical, y junto a los otros protagonistas de la película, el Grammy al mejor álbum para niños en 1965. No es menor el recuerdo de Andrews en la película La americanización de Emily.

Al año siguiente, la actriz volvió a ser candidata al Óscar a la mejor actriz, esta vez por su interpretación de una novicia convertida en institutriz en la película The Sound of Music —conocida en América Latina como La novicia rebelde y en España como Sonrisas y lágrimas—, film que relata las andanzas de una familia austriaca en la Alemania Nazi. Ese año el premio se lo llevó Julie Christie por su papel en Darling. Pero esta película fue la que la elevó al estrellato dentro de Hollywood. Muestra de ello es que en los dos años siguientes protagonizó Hawái, junto a Max von Sydow; la película de Alfred Hitchcock Cortina rasgada, junto a Paul Newman; y Millie, una chica moderna, junto a Mary Tyler Moore y Carol Channing.

Protagonizó Star! y Darling Lili, y apareció en algunas películas dirigidas por su segundo marido, Blake Edwards, como 10, la mujer perfecta, (S.O.B.) Sois honrados bandidos y Victor Victoria —película que fue un gran éxito y le dio un Globo de Oro a la mejor actriz de comedia/musical, y una nueva nominación al Premio Óscar en 1982, y para muchos fue su mejor actuación—.

El 23 de agosto de 1986, Julie Andrews fue invitada por el tenor español Plácido Domingo a su concierto Plácido y sus amigos en el Amphitheater de los Ángeles, para recaudar fondos por el terremoto de México de 1985, donde también participó Frank Sinatra, John Denver y el grupo Pandora de México.

En los años ochenta y noventa casi no apareció en películas.

En una entrevista a la revista Selecciones del Reader's Digest, Andrews comentó que no volvía a los escenarios para cantar debido a que en 1998 fue operada de una enfermedad en la laringe.

En 2000 recibió el título de dama comendadora de la Excelentísima Orden del Imperio Británico de manos de la reina Isabel II del Reino Unido. Además, posee una estrella en el Paseo de la Fama de Hollywood, concretamente en el 6901 de Hollywood Blvd.

Con el cambio de siglo, la actriz protagonizó junto a Anne Hathaway la película The Princess Diaries (2001) y su secuela. Las películas se convirtieron en grandes éxitos de taquilla y volvieron a lanzar la carrera de Andrews. Así, en 2004 prestó su voz para el personaje de la reina Lillian en la película Shrek 2, secuela del gran éxito comercial de 2001.

En 2004 al término de la película The princess diaries 2: Royal engagement (Princesa por sorpresa 2 / El diario de la princesa 2) Julie Andrews se retiró parcialmente del mundo del espectáculo, desde entonces solo hace apariciones y participaciones muy contadas y esporádicas.

El 16 de diciembre de 2010 falleció su esposo Blake Edwards a los 88 años de edad.¹​

En octubre de 2018 , aclaró su rechazo a la participación en el Re-Make Mary Poppins Returns argumentando textualmente : «Este es el show de Emily y realmente quiero que sea así. No deseo que sea algo tipo: 'Oh, ahí viene Mary Poppins' No quiero eso. Realmente quiero que ella tome esto y corra con él, porque estará brillante» alegó.²​

El 2 de septiembre de 2019 recibió el León de Oro a la trayectoria junto a Pedro Almodovar.³​

En la actualidad reside en la ciudad de Guildford, condado de Surrey al sur de Inglaterra.