В театр «За углом» Мартынова пришла в 1992 году, когда ей было около 14 лет. Тогда в Гатчине снимали фильм «Вива, Кастро!», и знакомство с участниками съёмок укрепило её желание стать актрисой. В театральной студии она занималась под руководством актрисы Риммы Тереховой, педагога по речи Светланы Ананьевой и педагога по движению Сергея Брагинца.

В юности Мартынова училась в четвёртой школе и увлекалась чтением: из библиотеки она брала по 12 книг. Её классный руководитель Асия Хамзиевна Хамидулина, преподававшая русский язык и литературу и проводившая для класса экскурсии по дворцу, стала для неё примером безупречной речи и манер. Отец Юлии был музыкантом, поэтом и композитором; он выступал в кафе и ресторанах, а позже стал подключать дочь к выступлениям как певицу.

После школы Мартынова хотела поступить в театральный вуз в Петербурге, но не прошла отбор. Затем она подала документы на режиссуру драмы в институт культуры; после апелляции по экзамену по литературе её зачислили. Институт она окончила в 1998 году. Позже сыграла главную роль в спектакле «Русалочка» театра «Встречи» и получила приглашение в его труппу, одновременно работая в других театрах, преподавая в детских студиях и выступая на мероприятиях.

Работа императрицей, о которой Мартынова говорит как о сбывшейся детской мечте, требует много сил: по её словам, иногда приходится работать на Дворцовой площади с десяти утра до шести-семи или восьми вечера. Вместе с актёром Павлом Явдосюком она также работала в Гатчинском парке, а затем руководство дворца предложило им программу во дворце.

Мартынова — помощник главного режиссёра Гатчинского ТЮЗа, играет в его спектаклях и руководит литературно-музыкальным квартетом К.Л.Ю.В. В него входят актрисы Кристина Вебер, Лиза Ковалёва, Юлия Мартынова и Валентина Зудова; вместе с коллективом выступает музыкант и актёр Павел Лебедев. Квартет проводит литературные представления для подростков, в которых обращается к произведениям Куприна и темам любви, верности, сострадания, дружбы и одиночества. По словам Мартыновой, коллектив существует почти восемь лет.

Мартынова рассказала, что её сын после участия в спектакле по произведениям Куприна прочитал автора и увлёкся чтением. Она также призналась, что временами думала уехать, однако снова возвращалась в театр. Работа приносит ей удовлетворение, а материнское счастье она связывает с тем, что видит в сыне то, что хотела бы увидеть.