Giulia Gwinn begann als knapp Achtjährige bei der TSG Ailingen mit dem Fußballspielen und kam über den VfB Friedrichshafen 2009 zum FV Ravensburg, für den sie fünf Jahre lang in Jungenmannschaften spielte.[2] Nachdem sie anschließend ein Jahr für die B-Junioren des SV Weingarten aktiv gewesen war, wechselte sie zur Saison 2015/16 zum BundesligistenSC Freiburg, mit dem sie durch eine Kooperationsvereinbarung bereits während ihrer Zeit beim FV Ravensburg trainiert hatte.[2][3] Am 13. September 2015 (3. Spieltag) feierte sie beim 6:1-Sieg im Heimspiel gegen den 1. FC Köln als Einwechselspielerin für Sandra Starke im Alter von 16 Jahren ihr Bundesliga-Debüt. Knapp einen Monat später, am 11. Oktober 2015 (5. Spieltag) in der Begegnung mit Werder Bremen, gehörte sie erstmals zur Startelf. Am 6. Dezember 2015 (10. Spieltag) erzielte sie beim 6:1-Sieg im Heimspiel gegen Bayer 04 Leverkusen mit dem Treffer zum 1:0 ihr erstes Bundesligator.
Zur Saison 2019/20 wurde sie vom Ligakonkurrenten FC Bayern München verpflichtet, bei dem sie im Februar 2019 einen bis zum 30. Juni 2022 gültigen Vertrag unterschrieb.[4] Im Dezember 2021 wurde ihr Vertrag bis Juni 2025 verlängert.[5] Im Juli 2024 unterschrieb sie einen Vertrag bis 30. Juni 2027.[6]
Nachdem sie im April 2013 als 13-Jährige für die U-15-Nationalmannschaft debütierte und 2014 dreimal für die U-16 gespielt hatte, gehörte sie 2015 als jüngste Spielerin zum Kader der U-17-Nationalmannschaft bei der Jahrgangseuropameisterschaft auf Island. Dort erreichte sie mit der Mannschaft das Halbfinale, in dem man sich jedoch mit 0:1 der Schweizer Auswahl geschlagen geben musste. 2016 gelang ihr mit dem Team erneut die Qualifikation für die Europameisterschaft, die die Mannschaft nach einem 3:2-Erfolg im Elfmeterschießen gegen Spanien gewinnen konnte.
Für die WM 2019 wurde sie von der Bundestrainerin Martina Voss-Tecklenburg ins deutsche Team berufen. Im Spiel gegen China am 8. Juni in Rennes erzielte sie mit dem 1:0 das erste Tor der deutschen Mannschaft bei diesem Turnier. Damit ist sie nach Birgit Prinz und Ariane Hingst die dritte Spielerin unter 20, die bei einer WM für die deutsche Nationalmannschaft ein Tor erzielte. Sie erreichte mit der Mannschaft das Viertelfinale. Für ihre Leistungen wurde Gwinn als Beste Junge Spielerin ausgezeichnet.[8]
Im EM-Qualifikationsspiel gegen Irland am 19. September 2020 erlitt Gwinn einen Riss des vorderen Kreuzbandes im rechten Knie und fiel mehrere Monate aus.[9] Bei der EM 2022 in England im Juli 2022 stand sie im Kader der deutschen Auswahl, die das Finale erreichte, aber an England scheiterte und Vizeeuropameister wurde. Gwinn kam bei allen sechs Spielen zum Einsatz und wurde vom beobachtenden Trainerstab der UEFA in die „Elf des Turniers“ gewählt.[10] Im Training vor dem Test-Länderspiel gegen Frankreich im Oktober 2022 in Dresden verletzte sie sich erneut am Knie. Sie erlitt dabei wieder einen Kreuzbandriss, dieses Mal im linken Knie, und fiel bis zum Ende der Saison aus.[11]
Aufgrund ihrer Verletzung wurde Gwinn von der Bundestrainerin Martina Voss-Tecklenburg nicht in den erweiterten Kader für die WM 2023 berufen.
Stattdessen begleitete sie im ZDF als Expertin die WM-Übertragungen.[12]
Nach ihrer überstandenen Verletzung gab Gwinn im ersten Spiel der UEFA Women’s Nations League gegen Dänemark ihr Comeback in der Nationalmannschaft.
Nationaltrainer Horst Hrubesch setzte Gwinn erstmals am 5. April 2024 als Kapitänin der Nationalmannschaft ein.[13]
Sie wurde für die Olympischen Spiele 2024 von Horst Hrubesch in den Kader berufen und bestritt alle 6 Spiele in der Anfangsformation in der Rechtsverteidigung sowie einmal als rechte Flügelstürmerin. Sie erzielte das 1:1 gegen die USA im zweiten Gruppenspiel sowie den 1:0-Siegtreffer im Spiel um Bronze gegen Spanien.
Als Kapitänin bekam Giulia Gwinn nun die Rückennummer 7 auch in der Nationalmannschaft, da Lea Schüller, die vorher die Rückennummer 7 trug, Alexandra Popps Nummer 11 erbte.