Júlio I era romano, e governou a Igreja entre 337 e 352, época de liberdade religiosa para os cristãos no Império Romano. Contudo, teve que enfrentar as heresias do donatismo (Igreja só para os santos) e principalmente do arianismo (negava a divindade de Jesus), com suas variações. Neste sentido, acolheu e apoiou Santo Atanásio, bispo, que fora expulso da sé de Alexandria por perseguição dos arianos. Convocou o sínodo de 341, em Roma, que reabilitou Atanásio, inocentando-o das falsas acusações, e condenou o “semi-arianismo” (Cristo seria “similar” ao Pai, ou de uma substância parecida, porém subordinada), uma proposta mitigada desta heresia, mais perigosa justamente por ser disfarçada. Também ficaram condenados aqueles que realizassem a deposição dos bispos legítimos, por conveniência.
Júlio convocou outro sínodo em 343, o de Sárdica (na Dácia Mediterrânea, hoje Sófia, capital da Bulgária), para resolver definitivamente a questão de Atanásio e outros bispos, condenados e reabilitados seguidamente em outros concílios ocidentais e orientais, bem como esclarecer definitivamente a questão das divergentes fórmulas doutrinárias (vários “Credos”). Mas os bispos arianos e semi-arianos do Oriente, tendo a certeza de que seriam vencidos, não compareceram, esvaziando o encontro.
Importante ação de Júlio I foi proclamar a primazia da Sé Episcopal de Roma, em função da autoridade do Sucessor de Pedro na direção da Igreja. Outras iniciativas suas foram a construção de várias igrejas (Santíssima Maria de Trastevere, Basílica Julia – atualmente Igreja dos Doze Apóstolos –, São Valentim, São Calixto e São Félix), a organização eclesiástica, com a proibição da participação de clérigos em tribunais civis, a organização da catequese para os catecúmenos, adultos e idosos. É considerado o fundador do Arquivo da Santa Sé, com a organização e conservação dos documentos. O calendário com os dias das festas dos santos são desta época.
Em 350, Júlio determinou a data de 25 de dezembro como a da comemoração do Natal do Senhor, em substituição à festa pagã em homenagem a Saturno, deus romano da agricultura.
Faleceu em 12 de abril de 352.