En 2021, elle présente "Titane" au Festival de Cannes et remporte la Palme d'or, créée par la joaillière Lucienne Lazon en 1955, devenant la seconde femme à obtenir cette récompense, 28 ans après Jane Campion et première à l'obtenir seule. Le cinéaste et président du jury Spike Lee a déclaré lors de la remise du prix : « La folie de Julia Ducournau m'a conquis. Le fait qu'elle soit une femme n'est pas entré en ligne de compte au cours des discussions ». Lors de son discours, la réalisatrice remercie le jury de « reconnaître le besoin viscéral qu’on a d’un monde plus inclusif et plus fluide et d’avoir laissé entrer les monstres ».