Była córką fotografa Ludwika Hartwiga i Marii Biriukow. Uczyła się w Gimnazjum im. Unii Lubelskiej w Lublinie. W 1936 w gazetce szkolnej „W słońce” opublikowała swój pierwszy wiersz. Podczas II wojny światowej była łączniczką Armii Krajowej, uczestniczką podziemnego życia kulturalnego. Studiowała polonistykę i romanistykę na Tajnym Uniwersytecie Warszawskim w latach 1942–1944 i Uniwersytecie Warszawskim w 1946 roku oraz Katolickim Uniwersytecie Lubelskim. W latach 1947–1950 przebywała we Francji, gdzie była stypendystką rządu francuskiego i urzędniczką w dziale kulturalnym Ambasady Polskiej w Paryżu, w tym okresie współpracowała z Ksawerym Pruszyńskim i Zygmuntem Kałużyńskim. Następnie mieszkała i pracowała w Warszawie. W latach 1952–1969 była autorką słuchowisk nadawanych w Polskim Radiu. W 1954 wyszła za mąż za Artura Międzyrzeckiego. W latach 1970–1974, razem z mężem przebywała w Stanach Zjednoczonych, uczestniczyła w programie International Writing Program, a następnie była wykładowcą na Uniwersytecie Drake’a. Prowadziła też wykłady na Uniwersytecie Ottawskim i Uniwersytecie Carleton w Kanadzie. W 1976 była sygnatariuszką „Memoriału 101”. W 1979 roku ponownie przebywała w USA na zaproszenie Departamentu Stanu. W 1989 roku była członkiem Komitetu Obywatelskiego przy przewodniczącym NSZZ „Solidarność” Lechu Wałęsie. Swoje wiersze i artykuły zamieszczała głównie w pismach: „Odrodzenie”, „Nowa Kultura”, „Świat”, „Nowe Książki”, „Poezja”, „Tygodnik Powszechny”. Działała także jako tłumaczka m.in. przetłumaczyła na język polski twórczość takich pisarzy jak Guillaume Apollinaire, Allen Ginsberg, Max Jacob, czy Blaise Cendrars. W latach 1945-83 była członkiem Związku Literatów Polskich, Polskiego, w latach 1986-91 NSZZ „Solidarność”, Stowarzyszenia Pisarzy Polskich, a od 2008 była przewodniczącą jury Nagrody Mediów Publicznych Cogito w dziedzinie literatury pięknej. W 1995 roku powstał o poetce film dokumentalny pt. Julia Hartwig w reżyserii Adama Kulika i według jego scenariusza, a w roku 2003 następny pt. Ułamki codzienności. Julia Hartwig. W 2009 otrzymała honorowe obywatelstwo Lublina oraz została laureatką Nagrody „Kamień”, przyznawanej podczas Lubelskiego Festiwalu „Miasto Poezji”. W 2014 X Zjazd Stowarzyszenia Pisarzy Polskich wybrał ją na honorowego Prezesa Stowarzyszenia. 25 października 2014 otrzymała Nagrodę Poetycką im. Wisławy Szymborskiej za książkę Zapisane. W 2015 Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu przyznał jej tytuł doktora honoris causa. W tym samym roku została też członkiem czynnym Polskiej Akademii Umiejętności. Zmarła 13 lipca 2017 w Gouldsboro we śnie podczas pobytu u swojej córki Danieli Lehtinen w Pensylwanii. 13 września 2017 urna z jej prochami spoczęła na cmentarzu Powązkowskim w grobie z mężem Arturem Międzyrzeckim.