Родилась в Спринг-Вэли (штат Нью-Йорк). Несколько детских лет провела за границей, во Флоренции, Париже и в Англии. В колледже Сары Лоуренс получила степень бакалавра в области истории искусств, во время учебы много играла в студенческих постановках и поэтому решила вступить на актерскую стезю. Однако прежде ей пришлось поработать официанткой, а первую свою роль в кино Джулианна Маргулис сыграла в 1991 году, проститутку Рику в фильме Стивена Сигала "Во имя справедливости". Актриса работала в театре, снималась в различных телепостановках, но киноролей не было. В 1994 году ей предложили роль медсестры Кэрол Хатауэй в пилотном эпизоде телепроекта Майкла Крайтона "Скорая помощь". Контракт с ней после пилотной серии продлевать не собирались: по задумке режиссеров Кэрол должна была умереть в пилоте. Но продюсеры решили, что это слишом для пилотной серии и с Маргулис продлили контракт.


Кэрол Хэтуей - старшая медсестра. В пилотной серии совершила неудачное самоубийство, наглотавшись таблеток. Встречалась с Дагом Россом, именно из-за него и предприняла попытку суицида. После этого встречалась с онкологом Тэгом Тальери и даже чуть не вышла за него замуж. Был роман с парамедиком Шеппардом, но после смерти друга Шеп впадает в тяжёлую депрессию и они расстаются.
Кэрол и Даг начинают снова встречаться, но из-за нарушения правил больницы Даг вынужден уволиться. Он улетает в Сиэтл и зовёт Кэрол ехать вместе с ним. Но она отказывается. Вскоре после его отъезда понимает, что беременна и рожает двух девочек: Тэсс и Кейт. Встречалась с Лукой, но поняла, что любит Дага и вместе с дочками уехала к нему.