Julian McMahon est le fils de Sir William McMahon, un ancien premier ministre australien de 1971 à 1972 et de sa femme Sonia (née Sonia Rachel Hopkins; et plus tard appelée Lady McMahon). Ses parents sont tous deux décédés. Son père en mars 1988, et sa mère en avril 2010. Il est le deuxième d'une fratrie de trois enfants. Il a une sœur aînée, Melinda et une sœur cadette, Déborah.
Il est passionné par le droit qu'il étudie à l'Université de Sydney mais assez vite, Julian est repéré par une agence de mannequin qui décide de s’occuper de lui. À 17 ans, après avoir abandonné ses études de droit, il devient mannequin et se fait remarquer grâce à une publicité pour la marque de jeans Levis, qui lui permet de jouer dans le soap australien Porn X. Il obtient l'un des rôles principaux dans le soap The Power, the Passion, équivalent australien de la série Dynastie et dans Summer Bay, qui fut également à l'origine des débuts d'acteurs de Guy Pearce, Heath Ledger ou Naomi Watts.
Prenant goût à ce nouveau métier, McMahon monte sur les planches, se produisant aussi bien en Australie qu'en Angleterre ou aux États-Unis. S'il apparaît dans des films de seconde zone tels que le teen movie Wet and Wild Summer! ou le thriller Magenta, c'est la télévision qui lui permet de percer dans le métier.
Il part ensuite s'installer à Los Angeles. Il rejoint en 1992 l'équipe du soap américain Another World. Après une brève participation à sa comédie Will & Grace, le network NBC l'engage pour endosser le rôle de l'inspecteur John Grant dans la série à succès Profiler. En 2000, Aaron Spelling lui propose le rôle du démoniaque Cole Turner durant trois saisons de Charmed. C'est cette série qui le révèle au grand public internationalement, et lui ouvre les portes du cinéma.
En 2003, il atteint le sommet de sa carrière en incarnant Christian Troy, un chirurgien plasticien cynique et arrogant dans Nip/Tuck, l'une des séries télévisées les plus osées et les plus irrévérencieuses de la décennie.
Après cette période, c'est vers le cinéma que le comédien s'oriente avec le rôle du méchant Dr Doom dans Les 4 Fantastiques, rôle qu'il reprend deux ans plus tard pour Les 4 Fantastiques et le Surfer d'Argent. Il pourrait donner la réplique dans le troisième volet qui est prévu.
En 2007, il joue le mari de Sandra Bullock dans Prémonitions, un thriller fantastique qui joue sur les espaces temporels.
En 2010, il est à l'affiche de Red avec Bruce Willis et Morgan Freeman, ainsi que de Faces In The Crowd du réalisateur français Julien Magnat.