En parallèle à son diplôme en architecture, Julien Baumgartner se forme à la comédie au TJP de Strasbourg (1994-97), au Cours Florent (1997-2000) et au Conservatoire de Paris (CNSAD, 2000-01). Il joue ainsi Kafka, Racine, Pinter, et monte lui-même « La Gnose » en 2000, compilation d'auteurs et de création. Plus tard, il sert « On purge bébé » de Feydeau et « Petits meurtres en famille » de François Roux.
Mais le jeune acteur se donne aussi à l'écran, régulièrement invité de courts métrages, tels que Rêve moi (2000) de Nicolas Sauvaige ou La Chambre des Parents 5: un nouvel amour de Pascale Breton (2001)un moyen métrage projeté au Festival de Cannes en 2002. Il se fait remarquer au cinéma pour la première fois avec la bande des
Sexy Boys de Stéphane Kazandjian (2002), et en héros troublé du film À cause d'un garçon de Fabrice Cazeneuve (2002) avec Jérémie Elkaïm.
Discrètement, il enchaîne les partitions dans le court métrage Un beau jour, un coiffeur de Gilles Bindi en 2003, Soir Bleu d'Arnaud Bénoliel en 2007, Passagers de Samuel Feller en 2008, et dans des seconds rôles comme
Comme une image d'Agnès Jaoui (2004) et Le temps d'un regard d'Ilan Flammer (2004), et à la télévision.
Il joue en effet régulièrement pour Jean-Louis Lorenzi, notamment dans La Tranché des Espoirs (2003), puis viendront Le bal des célibataires en 2004, Chat bleu, chat noir en 2006, et Epuration en 2007. On le voit traverser la série Paris enquêtes criminelles en 2007, et apparaît dans des téléfilms tels que Les Amants du Flore de
Ilan Duran Cohen en 2005, où il seconde
Lorant Deutsch/ Sartre et
Anna Mouglalis/ De Beauvoir.
Ilan Duran Cohen le propulse au devant de la scène dans la comédie d'espionnage Le plaisir de chanter en 2009, où il incarne Julien, jeune homme usant de son corps et de ses sentiments, pour
Marina Foïs,
Nathalie Richard et
Jeanne Balibar. Ce rôle lui a valu une nomination aux Césars en 2009. Au même moment, il apparaît dans la fantaisie Hello Goodbye de Graham Guit (2008), aux côtés de
Gérard Depardieu,
Fanny Ardant et
Manu Payet.
Depuis il a tourné dans les long-métrages: Toulouse de
Lionel Baier en 2010, et dans The Tourist de
Florian Henckel von Donnersmarck, et tient le rôle principal dans le téléfilm 4 garçons dans la nuit de Edwin Bailly, pour lequel il reçoit le prix d'interprétation masculine au Festival de Luchon en 2010.