Nacido en el seno de la noble familia Della Rovere, fue el último hijo de los duques de Urbino Francesco Maria della Rovere y Eleonora Gonzaga.^[2]​

Huérfano de padre desde los tres años de edad, cuando en 1547 se firmaron las capitulaciones prematrimoniales entre su hermano mayor Guidobaldo y Vittoria Farnese, que era nieta del papa Paulo III, se acordó entre ambas familias que Giulio sería creado cardenal.^[3]​ Lo fue con doce años en el consistorio de julio de 1547, reservado in pectore hasta su proclamación en enero de 1548, recibiendo el título de San Pietro in Vincoli.

A lo largo de su carrera eclesiástica fue abad in commendam de San Víctor de Marsella (desde 1548), obispo de Urbino (1548-51) y legado en Perugia y Umbría (1548-55), en cuyo desempeño, dada su juventud, estuvo asistido por el arzobispo de Ragusa Giovanni Angelo de' Medici. Administrador apostólico de Novara (1551-52), obispo de Vicenza (1560-66), arzobispo de Rávena (desde 1566), cardenal obispo de Albano (1570), Sabina (1570) y Palestrina (1573), protector del Santuario de la Santa Casa (desde 1573), participante en los cónclaves en que fueron elegidos papas Julio III, Marcelo II, Paulo IV, Pío IV, Pío V y Gregorio XIII y nuevamente arzobispo de Urbino (1578).

Fallecido con cerca de 43 años de edad, fue sepultado en el monasterio de Santa Chiara de Urbino.^[4]​

Tuvo tres hijos naturales:

• María, muerta en la infancia.
• Ippolito, que fue marqués de San Lorenzo in Campo.
• Giuliano, que fue prior de Corinaldo y abad de San Lorenzo.

Los dos varones fueron posteriormente legitimados por Pío V.^[5]​

• Chacón, Alfonso; Oldoini, Agostino (1677). Vitae et res gestae pontificum romanorum (en latín) III. Roma. pp. 730-732. 
• Manni, Domenico Maria (1741). Osservazioni istoriche sopra i sigilli antichi de secoli bassi (en italiano) VII. Florencia. pp. 32-36. 
• Amadesi, Giuseppe Luigi (1783). Antistitum Ravennatum Chronotaxim (en latín) III. Faenza. pp. 100-101. 
• Cardella, Lorenzo (1793). Memorie storiche de cardinali della Santa Romana Chiesa (en italiano) IV. Roma. pp. 287-289. 
• Lazzari, Andrea (1795). Memorie istoriche dei conti, e duchi di Urbino (en italiano). Fermo. pp. 385-386, 390-391. 
• Moroni, Gaetano (1843). Dizionario di erudizione storico-ecclesiastica (en italiano) XXIII. Venecia. p. 275. 
• Dennistoun, James (1851). Memoirs of the Dukes of Urbino (en inglés) III. Londres. pp. 76-77. 
• Cerri, Domenico (1858). Memorie istoriche intorno alla nobilissima ed antichissima famiglia Della Rovere (en italiano). Turín. pp. 57-59. 
• Ugolini, Filippo (1859). Storia dei conti e duchi di Urbino (en italiano) II. Florencia. pp. 250, 254-255, 274, 282, 538. 
• Passerini Orsini de' Rilli, Luigi (1863). Famiglie celebri di Italia. Della Rovere di Savona (en italiano). Turín. p. v. 
• Eubel, Konrad (1913). Hierarchia catholica medii aevi (en latín) III. Münster. pp. 30, 57-58, 68, 260, 283, 323. 
• Sanfilippo, Matteo (1989). «Della Rovere, Giulio Feltro». Dizionario Biografico degli Italiani (en italiano) 37.