Родилась 7 августа 1901 г. в Москве.
В 1922 г. окончила в Москве Государственный институт музыкальной драмы (ныне Российский институт театрального искусства - ГИТИС).
В 1922-1924 гг. была актрисой Камерного театра (работал в Москве в 1914-1949 гг.).
В 1924 г. дебютировала в кино, исполнив роль Аэлиты в экранизации одноименного произведения Алексея Толстого (режиссер Яков Протазанов). В том же году сыграла главную роль - лоточницу Зину Весенину - в комедии "Папиросница от Моссельпрома" (режиссер Юрий Желябужский). Взяла псевдоним Солнцева, под которым работала в дальнейшем.
Во второй половине 1920-х гг. снялась в фильмах: "Леон Кутюрье" по мотивам произведения Бориса Лавренева "Рассказ о простой вещи" (1927, Владимир Касьянов), "Буря" (1928, Павел Долина; не сохранился), "Джимми Хиггинс" по роману Эптона Синклера (1928, Георгий Тасин; не сохранился), "Две женщины" (1929, Григорий Рошаль).
С 1929 г. Юлия Солнцева работала ассистентом режиссера на киностудиях в Киеве (Украинская ССР, ныне Украина) и Москве. В том же году вышла замуж за режиссера Александра Довженко (1894-1956).
В 1939 г. вместе с Александром Довженко сняла военно-исторический художественный фильм "Щорс".
С июля 1941 г. Юлия Солнцева и Александр Довженко находились в эвакуации в Уфе. Затем они переехал в Ашхабад (Туркменская ССР, ныне Туркмения), куда была эвакуирована Киевская киностудия.
С весны 1943 г. Юлия Солнцева являлась режиссером Центральной студии кинохроники (с 1944 г. - Центральная студия документальных фильмов). Вместе с Александром Довженко и Яковом Авдеенко участвовала в съемках документальных фильмов "Битва за нашу Советскую Украину" (1943) и "Победа на Правобережной Украине" (1944).
С 1946 г. Юлия Солнцева была режиссером киностудии "Мосфильм". В 1948 г. совместно с мужем поставила историко-биографический фильм "Мичурин", в 1951 г. - художественный фильм "Прощай, Америка!", основанный на книге Аннабель Бюкар "Правда об американских дипломатах" (ее автор, сотрудница посольства США в Москве, в 1949 г. получила в СССР политическое убежище).
После смерти Александра Довженко Юлия Солнцева сняла по его сценариям художественные фильмы "Поэма о море" (1958), "Повесть пламенных лет" (1960), "Зачарованная Десна" (1964).
Также она поставила документально-игровой фильм об Александре Довженко "Золотые ворота" (1969), драмы "Такие высокие горы" (1974) и "Мир в трех измерениях" (1979).
Автор-составитель сборника "Александр Довженко. Кинорежиссер, писатель, художник" (1972).
Юлия Солнцева скончалась 29 октября 1989 г. в Москве на 89-м году жизни. Похоронена на столичном Новодевичьем кладбище.
Народная артистка СССР (1981).
Юлия Солнцева была награждена орденами "Знак Почета", Трудового Красного Знамени, Ленина.
Лауреат Сталинской премии II степени (1949).
В 1961 г. стала обладательницей приза Каннского фестиваля (Франция) за лучшую режиссуру ("Повесть пламенных лет").