Etter latinskole i Flensburg var han apotekerlærling i Oldenburg 1830-31, leste litt ved Universitetet i Kiel før han i 1832 kom til Kristiania. Her overtok han storebroren Heinrich Arnold Thaulows stilling som assistent i fysikk og kjemi hos professor Jens Jacob Keyser. I 1837 forlot han denne stillingen, som ble overtatt av lillebroren Harald Conrad Thaulow (1815–1881). Selv studerte Julius i de neste årene med stipend kjemi dels i Berlin, dels hos Justus von Liebig i Giessen, dels i Paris. Etter sin hjemkomst (1839) ble han lektor i kjemi ved Universitetet som den første læreren med dette som eget felt. I 1844 ble han professor og virket som det ved Universitetet frem til sin død. Den tyske Adolph Strecker overtok stillingen og virket 1850-60.