Julia Stein studierte zunächst Psychologie in Bochum und absolvierte dann ein privates Gesangsstudium in Verona, Mailand und München.
Sie sang zuletzt den „Paggio“ in Verdis Rigoletto an der Bayrischen Staatsoper München, die „2. Dame“ in der Zauberflöte am Landestheater Salzburg, „Siebel“ in Gounods Faust an der Nationaloper Bukarest, die Titelrolle in Savitri von Gustav Holst und den „Tod“ in Christian Josts Death Knocks am Stadttheater Gießen, wo sie bereits den „Nerone“ in Händels Agrippina übernommen hatte. Beim Festival auf Gut Immling hatte Julia Stein 2015 ihr Debüt als „Xerxes“ in Händels gleichnamiger Oper gegeben, zuvor war sie dort bereits u.a. „Wetterhex“ in Christian Auers Oper Der Brandner Kaspar, sowie als „Flora“ in La traviata zu erleben. 2016 wurde sie von Philippe Herreweghe eingeladen, bei seinem Festival im Italienischen Asciano Lieder von Robert Schumann zu interpretieren.
Julia Steins Konzert-Repertoire umfasst Werke von J. S. Bach, J. Haydn, W. A. Mozart, G. Rossini und C. Saint-Saëns, sowie Lieder von J. Brahms, G. Mahler, F. Schubert, R. Schumann, R. Strauss und H. Wolf. Sie erhielt Preise bei internationalen Wettbewerben und war Finalistin beim Bundeswettbewerb Gesang.
Ab der Spielzeit 2017/18 gehört sie dem Ensemble des Theaters Erfurt an. Hier debütiert sie bereits 2016/17 als „Stephano“ in Gounods Roméo et Juliette. Außerdem wird sie als „2. Dame“ als Gast an das Theater Klagenfurt zurückkehren.