Giulio Donati wurde am 5. Februar 1990 im nordtoskanischen Pietrasanta geboren. Der Abwehrspieler fing seine Spielerkarriere bei AS Lucchese an. Von 2008 bis 2013 stand Donati bei Inter Mailand unter Vertrag, wurde aber mehrmals an zweitklassige Vereine weiter verliehen. Im Sommer 2013 holte ihn Bayer Leverkusen. Nach 43 Bundesligaspielen für Leverkusen wechselte er im Januar 2016 liga-intern zum FSV Mainz 05.

Giulio Donati bestritt zwischen 2010 und 2013 24 Spiele für die Italienische U21-Nationalmannschaft und wurde mit ihr 2013 Vize-Europameister.