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.

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).

[4]​ Tuvo tres hijos naturales: Los dos varones fueron posteriormente legitimados por Pío V.