Andrews wurde früh von ihren Eltern gefördert und stand bereits mit 12 in der Starlight Roof Revue auf der Bühne. Ihr Karrieresprungbrett war allerdings 1953 The Boy Friend.

1956 wurde sie von Moss Hart für die Rolle der Eliza Doolittle in My Fair Lady am Broadway getestet. Eine der vielen Anekdoten um Andrews ließ verlauten, dass ihr innerhalb von 48 Stunden am Stück die Songs, der Cockney-Akzent und die Bewegungen von Hart eingehämmert wurden.

1960 wurde ihr von Lerner und Loewe (den Schöpfern von My Fair Lady) die Rolle der Guinevre in Camelot auf den Leib geschrieben.

1964 wurde Andrews bei "My Fair Lady" durch Audrey Hepburn ersetzt, da diese als kassenwirksamer galt.

Andrews nahm die Rolle der Mary Poppins im gleichnamigen Disney-Film (erschienen 1964) an, welcher ein Kassenschlager werden und ihr den Oscar für die beste weibliche Hauptrolle einbringen würde.

Mit The Sound of Music (1965, der im deutschsprachigen Raum kaum bekannte Film erschien als Meine Lieder – meine Träume) kehrte Andrews zum Filmmusical zurück. Sie erhielt für ihre Darstellung der Nonne und Haushälterin Maria (von Trapp) einen Golden Globe.

1969 heiratete sie in zweiter Ehe den Regisseur Blake Edwards und spielte fortan in zahlreichen seiner Filme die Hauptrolle, darunter die Verwechslungskomödie Victor/Victoria mit deren Broadwaybearbeitung sie in den 1990er Jahren an den Broadway zurückkehrte. Sie hat einen Stern auf dem Hollywood Walk of Fame.

Andrews lebt seit Anfang der 1990er Jahre mit ihrem Mann und fünf Kindern, davon zwei adoptierte Kinder aus Vietnam, in Los Angeles.

1997 verlor Andrews nach einer missglückten Operation ein Jahr lang völlig ihre Stimme. Daraufhin begann sie wieder als Kinderbuchautorin zu arbeiten. Nach ihren ersten beiden Büchern Anfang der 70er Jahre, Mandy (1971) und The Last of the Really Great Whangdoodles (1974), schrieb sie seit 1999 fünf weitere Kinderbücher. Nach ca. einem Jahr erlangte Julie ihre Stimme zurück und begann wieder zu singen. Noch heute singt sie zu besonderen Anlässen wie Plötzlich Prinzessin.

Die Disney-Organisation ernannte Julie Andrews 1991 zur „Disney-Legende“ („Disney Legend“). Am 31. Dezember 1999 wurde sie von Königin Elisabeth II. in den Stand einer Dame Commander of the British Empire erhoben.

2007 wurde sie bei den Screen Actors Guild Awards für ihr Lebenswerk geehrt. Die Trophäe überreichten ihr ihre Schauspielkollegen Dick Van Dyke (Mary Poppins) und Anne Hathaway (Plötzlich Prinzessin und Plötzlich Prinzessin 2).

Andrews hat des Öfteren während ihrer frühen Live-Auftritte ein "F#" über dem hohen "C" eines Soprans getroffen.