Juliusz pochodził z Rzymu, był synem Rustyka (Rustykusa). Wstąpił na tron Piotrowy 6 lutego 336r . Podczas jego pontyfikatu zmarł cesarz Konstantyn I Wielki, co zakończyło jedność cesarstwa i jedność polityki wobec papieża. Nastąpił podział cesarstwa i podział Kościoła na wschodni i zachodni. Kościół zachodni popierał nicejskie wyznanie wiary, a Kościół wschodni – wyznanie ariańskie. Między innymi na tym tle doszło do zatargu między biskupami. Juliusz I wystosował wówczas list do biskupów Wschodu, w którym przypomniał o autorytecie i prymacie stolicy rzymskiej, do której należało się zwracać o rozstrzygnięcie sporów. W ten sposób pragnął załagodzić narastające konflikty.
Juliuszowi I przypisuje się wydanie dekretów o archiwum i kancelarii w Kościele rzymskim, na wzór ówczesnego cesarstwa, co zapoczątkowało Archiwum Watykańskie. Po raz pierwszy za pontyfikatu Juliusza I wspomina się o urzędzie primicerius notariorum, czyli starszego notariusza Kościoła.
Papież Juliusz I zbudował dwa kościoły: bazylikę Dwunastu Apostołów (jeden z kościołów stacyjnych Rzymu) i bazylikę Santa Maria in Trastevere (Najświętszej Maryi Panny na Zatybrzu. Zmarł w Rzymie 12 kwietnia 352 r.