Wstąpił na tron Piotrowy 6 lutego 337 r. po czterech miesiącach sediswakancji (poprzedni Papież, św. Marek, zmarł 7 października 336 r.). 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.
W 343 r. zwołał synod ekumeniczny w Sadyce (dzisiejsza Sofia). Synod ten ogłosił szereg praw odnoszących się
do zwierzchniej władzy Biskupa Rzymskiego i stworzył możliwość złożonemu z urzędu biskupowi odwołania się
do Biskupa Rzymskiego, który miał potwierdzić wyrok lub zarządzić nowe dochodzenie. W przypadku ponownego odwołania się pokrzywdzonego biskupa zagwarantowano papieżowi głos ostateczny. Juliuszowi I przypisuje się
także 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 – kościół tytularny trzech polskich kardynałów: w XVI w. Stanisława Hozjusza, który jest
w nim pochowany, a w czasach współczesnych Stefana Wyszyńskiego i Józefa Glempa), jak również salę przyjęć
w pałacu laterańskim.
Zmarł w Rzymie 12 kwietnia 352 r. i został pochowany na cmentarzu Kalepodiusza przy Via Aurelia. W 790 r. Papież Hadrian I przeniósł doczesne szczątki św. Juliusza I, razem z relikwiami św. Kaliksta I, do bazyliki Najświętszej Maryi Panny na Zatybrzu.
