Julia Beljajeva begann 2002 mit dem Fechten. Ihre ersten internationalen Erfolge erfocht die Rechtshänderin bei Europameisterschaften. 2012 gewann sie mit der Mannschaft in Legnano die Bronzemedaille, im Jahr darauf wurde sie mit der Mannschaft in Zagreb Europameister. In Budapest wurde sie zudem im selben Jahr nach einem 15:14-Finalsieg über Anna Siwkowa Weltmeisterin. 2014 gelang ihr in Kasan bei der Weltmeisterschaft mit der Mannschaft der Gewinn der Silbermedaille. Ebenfalls Silber mit der Mannschaft gewann sie 2015 sowohl bei den Europameisterschaften in Montreux als auch bei den Europaspielen in Baku. Bei der Europameisterschaft 2016 wurde sie mit der Mannschaft zum zweiten Mal Europameister. Zudem nahm sie in dem Jahr an den Olympischen Spielen in Rio de Janeiro teil. Im Einzel erreichte sie lediglich den 29. Rang, mit der Mannschaft verpasste sie einen Medaillengewinn knapp. Nach einem knappen 27:26-Erfolg über Südkorea im Viertelfinale folgte im Halbfinale gegen China eine 36:45-Niederlage, das Gefecht um Bronze gegen Russland ging mit 31:37 verloren. Im Jahr darauf gewann sie ihre erste Einzelmedaille bei Europameisterschaften, als sie in Tiflis Bronze gewann. Auch bei der Weltmeisterschaft in Leipzig erfocht sie im Einzel Bronze. Mit der Mannschaft schnitt sie noch besser ab und wurde nach 2013 zum zweiten Mal Weltmeisterin. Die Europameisterschaften 2018 in Novi Sad schloss sie sowohl im Einzel als auch mit der Mannschaft auf dem Bronzerang ab. Bei den 2021 ausgetragenen Olympischen Spielen 2020 in Tokio gewann Beljajeva mit der Mannschaft die Goldmedaille und wurde Olympiasiegerin.