Fu eletto grazie all'appoggio del cardinale Farnese, nipote di Paolo III, suo predecessore. Legato pontificio al concilio di Trento, vi si era distinto per la fermezza dei propositi e la severità dei principi; ma divenuto papa si mostrò spesso debole e incerto. Riunì nuovamente quel concilio, che era stato interrotto nel 1548, ma dovette sospenderlo ancora per il successo riportato in Germania dai protestanti. Strinse alleanza con Carlo V contro Enrico II, col quale concluso una pace vantaggiosa nel 1553. Negli ultimi suoi anni, si adoperò per metter pace fra il re di Francia e il figlio di Giovanna la Pazza; impedì che nuove eresie penetrassero in Italia, e riconciliò la Santa sede con l'Inghilterra, di cui allora era sovrana la regina Maria. Confermò gli statuti dei Gesuiti, che furono autorizzati da lui a fondare in Roma il Collegio Romano e il Collegio Germanico.
A Giulio III di deve la costruzione, in Roma, di Villa Giulia, dove venne collocato il Museo archeologico.
Sepolto a Roma, San Pietro