Rigió la Iglesia Romana durante un breve periodo de tiempo---del 18 de enero al 7 de octubre del 336 – y después de su muerte el trono papal permaneció vacante durante cuatro meses. Se desconoce qué ocasionó esta comparativamente larga vacante. El 6 de febrero de 337, Julio, hijo de Rústico y nativo de Roma, fue elegido Papa. Su pontificado es recordado principalmente por su firme y juiciosa intervención en las controversias arrianas, sobre las que tenemos abundantes fuentes de información. Después de la muerte de Constantino el Grande (22 de mayo de 337), su hijo Constantino II, Gobernador de Galia, permitió al exiliado San Atanasio regresar a su sede de Alejandría. Sin embargo, los arrianos en Egipto nombraron un obispo rival en la persona de Pisto y enviaron una embajada al Papa Julio pidiéndole que admitiera a Pisto a la comunión con Roma, y enviaron al Papa las decisiones del Concilio de Tiro (335) para probar que la destitución de Atanasio había sido válida. Atanasio, por su parte, envió mensajeros a Roma para entregar a Julio una carta sinodal de los obispos de Egipto, la cual contenía una completa justificación de su patriarca. A la llegada de los enviados de Atanasio a Roma, Macario, el jefe de los representantes arrianos, se marchó de la ciudad; los dos restantes delegados arrianos, junto con los diputados de Atanasio, fueron convocados por el Papa Julio. La delegación arriana entonces suplicó al Papa que convocase la reunión de un gran sínodo, ante el cual ambas partes presentarían sus respectivos casos para una solución.
Julio convocó al sínodo en Roma y envió a dos mensajeros a llevar una carta de invitación a los obispos de Oriente. Bajo el liderazgo de Eusebio de Nicomedia, quien había sido elevado desde Nicomedia a la Sede de Constantinopla, los obispos arrianos habían celebrado mientras tanto un concilio en Antioquia y eligieron a Jorge de Capadocia como obispo de Alejandría en lugar de Pisto. A Jorge se le introdujo forzadamente en su sede y Atanasio, estando de nuevo en el exilio, se puso en camino a Roma. Muchos otros obispos orientales que habían sido removidos por el partido arriano, entre ellos Marcelo de Ancira, también llegaron a Roma. En una carta redactada en términos muy altivos, los obispos arrianos del partido de Eusebio rechazaron asistir al sínodo convocado por Julio. El sínodo se celebró en el otoño del 340 ó 341, bajo la presidencia del Papa en la iglesia titular del presbítero Vito. Después de un detallado examen de los documentos, Atanasio y Marcelo de Ancira, quienes habían hecho una satisfactoria profesión de fe, fueron exonerados y restablecidos a sus derechos episcopales. El Papa Julio comunicó esta decisión en una carta muy notable y hábil a los obispos del partido de Eusebio En esta carta él justifica su proceder en este caso, defiende en detalle la reinstauración de Atanasio y censura fuertemente la ausencia de los obispos orientales al Concilio, cuya convocación habían sugerido ellos mismos. Incluso si Atanasio y sus compañeros fueron de alguna manera culpables, continúa la carta, la Iglesia de Alejandría debía haber escrito primero al Papa. “Podéis ser ignorantes” escribe el Papa “de que esta es la costumbre, que nos debían haber escrito primero primero, así que desde ahora se debe definir lo que es justo.” (Julii ep. Ad Antiochenos, c. XXII).
Después de la victoria sobre su hermano Constantino II, el Emperador Constante gobernó sobre gran parte del Imperio. Era enteramente ortodoxo en sus puntos de vista y a petición del Papa y de otros obispos occidentales, intercedió ante su hermano Constantino, emperador de Oriente, a favor de los obispos que habían sido depuestos y perseguidos por el partido arriano. Ambos gobernantes acordaron que debía ser convocado un concilio general de los obispos occidentales y orientales en Sárdica (v. Concilio de Sárdica), la ciudad principal de la provincia de la Dacia Mediterránea (la moderna Sofía), un concilio general de los obispos de Oriente y Occidente. Este tuvo lugar en el otoño del 342 o 343, Julio envió como sus representantes a los sacerdotes Arquidamo y Filóxeno y al diácono León. A pesar de que los obispos orientales del partido arriano no se unieron al concilio, mantuvieron su propia reunión por separado y luego se marcharon, a pesar de todo, el concilio cumplió su objetivo. A través de los importantes cánones III, IV y V (VII en el texto en latín) de este concilio, se reguló más exactamente el procedimiento a seguir en caso de acusación contra los obispos acusados, y se estableció definitivamente la forma de la intervención Papal en la condenación de obispos.
Al cierre de sus trabajos el sínodo comunicó sus decisiones al Papa mediante una carta respetuosa. A pesar de la reafirmación de su inocencia por el Concilio de Sárdica, San Atanasio no fue restaurado a su sede por el Emperador Constancio hasta después de la muerte de Jorge, el obispo rival de Alejandría, en el 346. El Papa Julio aprovechó la ocasión para escribir una carta, la cual todavía existe, a los sacerdotes, diáconos y a todos los fieles de Alejandría para felicitarles por el regreso de su gran pastor. Los dos obispos Ursacio de Singidunum y Valens de Mursia, quienes debido a su arrianismo habían sido depuestos por el Concilio de Sárdica, hicieron una retractación formal de su error ante Julio, quien, habiéndoles citado a una audiencia y después de recibir una confesión de fe firmada, los restauró a sedes episcopales. Carecemos de información exacta sobre el funcionamiento interno de la Iglesia Romana durante el pontificado de Julio; no obstante, todos están de acuerdo de que hubo un rápido incremento del número de creyentes en Roma, donde Julio mandó a erigir dos nuevas basílicas: la iglesia titular de Julio (actualmente Santa María en Trastevere) y la Basílica Julia (actualmente la Iglesia de los Doce Apóstoles). Además de éstas, construyó tres iglesias sobre cementerios fuera de las murallas de Roma: una en la carretera a Porto, una segunda en la Vía Aurelia y una tercera en la Vía Flaminia en la tumba del mártir San Valentín. Se han descubierto las ruinas de esta última. La veneración de los fieles por las tumbas de los mártires continuó extendiéndose rápidamente. Bajo el pontificado de Julio, si no antes, se comenzó a usar los catálogos de las festividades de los [[Comunión de los Santos|santos, el Santoral Romano de Filócalo data del año 336.
A través de San Atanasio, quien permaneció en Roma varios años después del 339, la vida monástica egipcia obtuvo renombre en la capital, y el ejemplo de los ermitaños de los desiertos egipcios encontró muchos imitadores en la Iglesia Romana. Julio murió el 12 de abril de 352 y fue enterrado en las catacumbas de Calepodio en la Vía Aurelia y muy poco después de su muerte fue venerado como santo. Su cuerpo fue más tarde trasladado a Santa María en el Trastevere, la iglesia que él había construido. Su fiesta se celebra el 12 de abril.
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