Giulio Romano var elev av Rafael, og nevnes første gang i skriflige kilder fra 1515. Han ble også ble påvirket av Michelangelo og Donato Bramante.
Samarbeidet med Rafael ble særlig tett. Bildet Den hellige familie under eiketreet, som nå henger i Museo del Prado, ble utført av Giulio Romano etter skisser fra Rafael. Han assisterte Rafael med dekoreringen av Stanze di Raffaello og loggiaer i Vatikanpalasset.
Etter Rafaels død i 1520 overtok han hans verksted sammen med Penni; de to fullførte de gjenstående oppdragene, og Rafael-verkstedet fortsatte slik en tid å dominere den kunstneriske virksomhet i Roma. Først avsluttet de utmalingene i atriet i Villa Madama, et prosjekt som Rafael hadde påtatt seg og begynt med på oppdrag fra kardinal Giulio de' Medici, den senere pave Klemens VII. Deretter malte de på oppdrag av pave Leo X fresker for Sala di Constantino i Vatikanet. Giulios religilse tavlebilder fra perioden 1520 til 1524 eri sin formaloppbygging fortsatt orientet etter Rafael, wskjøbnt fargevalget og personenes fylde og de uvanlige motiver antyder en ny utvikling innen hans malerkunst.
Giulio arbeidet også med motiver til veggtepper.
Fra 1520-årene stammer modiene, 16 erotiske tegninger, som Giulio Romano kanskje (kanskje ikke) var med på å tegne. De ble stukket i kobber av Marcantonio Raimondi så påført pornografiske vers (sonetti lussoriosi) av Pietro Aretino. Raimondi havnet i fengsel for disse stikkene, og boken ble oppført på Index.
Arkitekt i Roma
Hans første oppdrag som arkitekt var å fullføre Villa Lante på Gianicolo i Roma, som var blitt påbegynt i 1518 av Rafael. Så fulgte oppdraget å bygge Palazzo Cicciaporti-Senni, et bygg som allerede antyder Giulios spektakulære brudde med prinsippene for renessansens byggekunst. Han erstattet der optisk de bærende pilastre med dekorative lisener, og søylebasene hviler på brede gesimser som søylebasene tilsynes synker ned i.
Giulio Romano ble i Roma til 1524.
Arkitekt i Mantova
Deretter ble han kalt til hoffet til hertugFederico II Gonzaga i Mantova og gikk nesten helt over til å arbeide med arkitektur. Han var der direktør for vannvyggverker (som fontener) og til overintendant for byggverk. Han gav på få år byen en helt ny fremtoning.
Mellom 1526 og 1534 stod Giulio for byggingen av hertugens palass, et lystslott kalt Palazzo del Tè. Bygningen, som blir regnet som Giulios mesterverk, viser flere tydelige kjennetegn på motivene i den manieristiske arkitektur. Her er blant annet tetthengende triglyfer og kolonner som man reiste helt ubehandlet, som om de var kommet rett fra steinbruddet. I en av palassets paradesaler, Sala dei Giganti, laget Giulio illusjonistiske fresker som får hele rommet til å virke som om det er i ferd med å styrte sammen.
Død, virkning
Da han døde, stod han i begrep med å forlate Mantova for å vende tilbake til Roma, etter å ha blitt utnevnt til leder for byggingen på den nye Peterskirken.
Giulio Romano er den eneste renessansekunstner som nevnes ved navn av William Shakespeare. I Akt V, scene II i The Winter's Tale er dronning Hermiones statue laget av «that rare Italian master, Julio Romano», skjønt Giulio ikke var skulptør.
Giorgio Vasari: Das Leben des Giulio Romano. Neu übersetzt von Victoria Lorini und Matteo Burioni. Herausgegeben, kommentiert und eingeleitet von Matteo Burioni. Klaus Wagenbach, Berlin 2005, ISBN 3-8031-5028-0.