W 1997 wstąpiła do Unii Chrześcijańsko-Demokratycznej. W latach 2002–2007 zasiadała we władzach jej organizacji młodzieżowej Junge Union. W 2002 po raz pierwszy uzyskała mandat posłanki do Bundestagu. Z powodzeniem ubiegała się o reelekcję w wyborach w 2005 i 2009. Od 2004 wybierana także do rady powiatu Bad Kreuznach. W 2006 została wiceprzewodniczącą CDU w Nadrenii-Palatynacie, a w 2010 stanęła na czele krajowych struktur partii. Weszła jednocześnie w skład prezydium federalnej CDU.
W międzyczasie, w 2009, została parlamentarnym sekretarzem stanu w resorcie rolnictwa w drugim rządzie Angeli Merkel. W 2011 wystartowała jako kandydatka CDU na premiera Nadrenii-Palatynatu. Kierowani przez nią chadecy pozostali w opozycji, jednak poprawili swój wynik wyborczy w porównaniu z tym z 2006. Julia Klöckner uzyskała mandat posłanki do landtagu, rezygnując w konsekwencji z mandatu deputowanej do Bundestagu. Wcześniej w tym samym roku ustąpiła także ze stanowiska rządowego. W 2012 została wybrana na jednego w wiceprzewodniczących CDU z najlepszym indywidualnym wynikiem. W 2016 po raz kolejny zasiadła w landtagu Nadrenii-Palatynatu.