Det var dock med Mauvais Sang (1986), regisserad av Leos Carax, som Julie Delpy fick publikens och kritikens uppmärksamhet, i rollen som den mystiska och förtrollande Anna. Denna film markerade början på ett långt samarbete med prestigefyllda regissörer, bland annat Jean-Luc Godard i Détective (1985) och 2 Days in Paris (2007), som hon även skrev och regisserade. Delpy etablerade sig då som en central figur inom fransk film, med roller i filmer som Les Rythmes du cœur (1996) och Before Sunrise (1995), regisserad av Richard Linklater, där hon spelar Celine, en ung amerikansk kvinna som möter en resenär i Europa – en roll hon återvänder till i uppföljarna Before Sunset (2004) och Before Midnight(2013), vilket gav henne internationell uppmärksamhet.

Parallellt med skådespeleriet har Julie Delpy etablerat sig som en talangfull regissör och manusförfattare. Filmen 2 Days in Paris markerade ett viktigt steg i hennes karriär, där hon med humor och finess utforskar romantiska och familjära relationer, och på ett originellt sätt behandlar kulturella spänningar mellan Europa och Amerika. Hon regisserade även 2 Days in New York (2012), en uppföljare som fortsätter utforska familjedynamik i en New York-miljö.

Julie Delpy är också en framstående kompositör, som har skrivit och framfört flera av sina filmsoundtracks, vilket visar på hennes talang inom musik och sång. Hennes karriär präglas av kreativt oberoende, konstnärlig frihet och mångsidighet, och hon har belönats flera gånger för sitt arbete, bland annat för manus till Before Sunset. Hon har lämnat ett bestående avtryck i filmhistorien med sin originella och feminina blick på världen.