Julie-Marie Parmentier prend des cours de théâtre dès son plus jeune âge et, après un bac option art dramatique, emménage à Paris.

Elle débute à la télévision dans le téléfilm de Noémie Lvovsky en 1997, Les Années lycée : Petites. Le téléfilm, où elle est remarquée pour l'interprétation d'une adolescente sensible, est adapté en long métrage, La Vie ne me fait pas peur, en 1999, et remporte le prix Jean Vigo.

Elle enchaîne la même année avec un rôle de prostituée et de toxicomane dans un film de Robert Guédiguian, La Ville est tranquille, en compagnie d' Ariane Ascaride. Julie-Marie Parmentier tourne ensuite des premiers rôles. En 2000, elle interprète l'une des deux soeurs mutiques qui assassinent leurs patrons, avec Sylvie Testud, dans Les Blessures assassines. Elle passe ensuite à un rôle de jeune fille qui décide de garder son bébé contre l'avis de son entourage et reprend contact avec un père inconnu, dans Le Ventre de Juliette.

En 2007, elle devient l'héroïne du film Charly, où elle interprète une jeune prostituée occasionnelle, vivant dans une caravane. En 2010, elle joue dans le film remarqué de Zabou Breitman No et moi.