Iniciou sua carreira aos 18 anos de idade em 1959 no episódio "The Pawn" da série The Restless Gun estrelada por seu pai. No mesmo período atuou em "Premonition" de One Step Beyond, "Graduating Class" de Alfred Hitchcock Presents, "I Love a Marine" de The Tab Hunter Show e "Goodbye, Mr. Pomfritt, Hello, Mr. Chips" de Dobie Gillis. Ela participou da série clássica de faroeste The Big Valley interpretando a companheira com sotaque sulista do belo chefe dos saqueadores, em "The Young Marauders".
É mais conhecida por seu papel na telessérie The Wild Wild West interpretando uma integrante ardente e sedutora de uma misteriosa trupe de artistas circenses itinerantes no episódio "The Night of Sudden Death".
Julie Payne casou-se com o ator Skip Ward em 1964 e divorciaram-se no ano seguinte. Em 1969, conheceu o roteirista vencedor do Oscar, Robert Towne; casaram-se em 1977 e se separaram em 1982. A filha deles, Katharine Towne (n. 1978), iniciou a carreira de atriz em 1998, participando de inúmeros filmes e telesséries aleém de ter sido cônjuge de Charlie Hunnam. Em 1999, Payne reencontrou seu namorado do ensino médio, Steve Luckman, e eles permaneceram juntos até a morte dela.
Pouco depois de Julie Payne se aposentar da carreira de atriz, outra atriz chamada Julie Payne, nascida em 1946, afirmou ter nascido em Sweet Home, Oregon, mas também foi erroneamente listada como tendo nascido em 1940 em Terre Haute, Indiana. Começou a carreira de atriz.
Outra Julie Payne (1951–2016) foi produtora e membro da equipe diversa, que frequentemente trabalhou com o diretor Ridley Scott. Ela faleceu em 15 de junho de 2016 e foi mencionada nos créditos finais de Alien: Covenant (2017) e nos créditos do primeiro episódio de Taboo.
