Zadebiutowała w 1936 roku na łamach międzyszkolnego pisma „W słońce”. Studiowała polonistykę i romanistykę na Tajnym Uniwersytecie Warszawskim i Uniwersytecie Warszawskim oraz Katolickim Uniwersytecie Lubelskim. W 1945 ogłosiła kilka utworów w Wyborze wierszy poetów lubelskich oraz na łamach „Odrodzenia”. Kontynuując twórczość literacką, ogłaszała wiersze, przekłady i recenzje między innymi na łamach czasopism „Nowa Kultura”, „Świat”, „Nowe Książki”, „Poezja”. Od 1963 należała do Polskiego PEN Clubu. Jednym z wyznaczników jej poezji zawsze była osobność, nieuleganie twórczym modom i snobizmom, a także niechęć do przyjęcia całościowej wizji świata i jednej tonacji emocjonalnej.
W swych subtelnych, wyrafinowanych, choć jednocześnie zawsze dążących do bycia zrozumiałymi dla czytelnika utworach niejednokrotnie łączyła przeciwieństwa. Powadze przeciwstawiała ironię, rozpaczy – radość istnienia. Obok wierszy onirycznych, pełnych obrazów i wizji tworzyła utwory oparte na umiejętnym przywołaniu konkretu. Kryła się za tym intelektualna dojrzałość, wiedza o tym, iż bogactwa danego nam świata, w jego jasnych i ciemnych obszarach, nie sposób sprowadzić do jednej formuły, osądu, programu.
Poetka posługiwała się zazwyczaj formą dopracowaną i „uspokojoną”, unikającą chaosu i przypadkowości. Była jedną z nielicznych polskich autorek mistrzowsko posługującą się prozą poetycką. Miał na to zapewne wpływ jej wieloletni związek z literaturą francuską. Hartwig tłumaczyła między innymi utwory Apollinaire’a, Rimbauda, Maxa Jacoba, Cendrarsa i Supervielle’a. Jest też autorką przekładów z języka angielskiego, zwieńczonych w 1992 roku obszerną antologią Opiewam nowoczesnego człowieka. Antologia poezji amerykańskiej, przygotowaną wraz z Arturem Międzyrzeckim, poetą, a prywatnie mężem Julii Hartwig.
Twórczość poetki doskonale scharakteryzował Czesław Miłosz na łamach „Zeszytów literackich”: „Ktoś powiedział, że każdy wiersz liryczny jest cząstką autobiografii, nawet jeżeli nic w nim nie ma z wyznań. Wierszy Julii Hartwig nie umiem czytać inaczej niż układając z nich autobiograficzną opowieść. Osobą, która opowiada, jest kobieta z polskiej inteligencji, mająca za sobą doświadczenia lat wojny, dużo podróżująca, o znacznej wiedzy o sztuce, wyposażona w znajomość obcych języków, zadomowiona w trzech miastach: Warszawie, Paryżu i Nowym Jorku. Osoba ta jest też poetką, szukając określenia, wybrałbym przymiotnik: wykwintną, przez co chyba rozumiem jej powściągliwość. Jej życie, tak jak ukazuje się w tej poezji, było pełne nieszczęść i klęsk, ale znalazła sposób, żeby mówić o tym jakby okólnie, poprzez nazywanie zjawiających się przed oczami obrazów. Jej głos jest równy, nie ścisza się do szeptu, ani nie nasila się do krzyku”.
Przez kilkanaście lat Hartwig współpracowała z Polskim Radiem, tworząc scenariusze słuchowisk dla dzieci.
Hartwig wydawała również prozę: Dziennik amerykański z pobytu w Stanach, dzienniki podróży – Zawsze powroty, oraz monografie Apollinaire’a i Gérarda de Nervala.
Jej poezja była tłumaczona na wiele języków i publikowana w antologiach polskiej poezji między innymi w języku albańskim, bułgarskim, francuskim, macedońskim, greckim, fińskim, serbskim, szwedzkim, ukraińskim, węgierskim, po japońsku i hebrajsku.
Wielokrotnie przebywała na stypendiach we Francji i Stanach Zjednoczonych, otrzymała liczne nagrody, między innymi Fundacji A. Jurzykowskiego, Thornton Wilder Prize przyznawaną przez Translation Center at Columbia University, austriacką nagrodę poetycką im. Georga Trakla, za przekłady z literatury francuskiej nagrodzona Prix de Traduction fundacji Hautvillers. Wielokrotnie nominowana do Nagrody Literackiej „Nike”. Była też laureatką Nagrody im. Wisławy Szymborskiej za rok 2014, a w 2015 roku została odznaczona Złotym Medalem „Zasłużony Kulturze Gloria Artis”. W 2011 otrzymała Krzyż Wielki Orderu Odrodzenia Polski, a w 2016 Francuski Order Oficera Legii Honorowej.
