Nasce a Forlì (Forlì-Cesena) il 26 dicembre 1911, primogenita di Carmen Emiliani e di Pietro Nenni, segretario del Partito socialista italiano. Negli anni successivi nascono le sorelle Eva (1913), Vittoria (1915) e Luciana (1921). Nel 1927 Giuliana, assieme alla madre e alle sorelle, attraversa clandestinamente la frontiera con la Francia e raggiunge il padre a Parigi, espatriato qualche mese prima per sottrarsi alle persecuzioni delle squadre fasciste. Mentre frequenta alla Sorbona i corsi di Civilisation française avvia il suo apprendistato politico nelle file dell’emigrazione antifascista, lavorando tra l’altro come redattrice del giornale socialista «Populaire». La politica assume progressivamente un posto centrale nella sua vita mentre lavora a stretto contatto con il padre: nel 1934 si iscrive al Psi e lavora nell’Unione popolare italiana, nel 1936 è segretaria del Comitato di lotta antifascista. Nel giugno 1940, con l’entrata in guerra dell’Italia e l’occupazione tedesca della Francia del nord, si trasferisce con la famiglia nei Pirenei orientali, a Palalda, dove prosegue l’attività di propaganda antifascista clandestina, anche come redattrice del periodico «Nuovo Avanti», nel 1942. Nel febbraio 1943, vive confinata con la famiglia a Saint-Flour ma riesce a mantenere i rapporti con la Resistenza francese.
Rientrata in Italia dopo il 25 luglio 1943, intrattiene i contatti tra il Psi e il Cln e promuove a Roma assieme ad altre antifasciste, tra le quali Adele Bei, le sorelle Ribet, Adele Maria Jemolo, un gruppo denominato Piccolo comitato, con l’obiettivo di aiutare i prigionieri in fuga, organizzare manifestazioni popolari e distribuire stampa clandestina. Dopo la liberazione di Roma fa parte del Comitato d’Iniziativa dell’Udi riunitosi il 21 settembre 1944: è l’inizio di un sodalizio duraturo che la vedrà partecipare alla vita dell’associazione come componente del comitato direttivo nazionale. Un impegno al quale affianca, per molti anni, quello di responsabile della commissione femminile centrale del Partito socialista. Eletta per la prima volta alla Camera nel 1948, nelle liste socialiste del Fronte popolare, vede confermato il seggio nelle elezioni del 1953 mentre nelle legislature successive viene eletta al Senato, nel 1958 e nel 1963. Al centro del suo lungo lavoro parlamentare pone le battaglie per l’approvazione di leggi a favore della classe lavoratrice, per l’emancipazione delle donne e per la conquista dei diritti civili. Tra le proposte di legge presentate meritano di essere segnalate quelle sulla pari opportunità, per la riforma del diritto di famiglia e per l’introduzione del cosiddetto “piccolo divorzio”: prima parlamentare della Repubblica a proporre al Senato, nel 1958, una legge sul divorzio, ripresentando il disegno di legge già proposto alla Camera dal socialista Luigi Renato Sansone.
Nel 1968 lascia gli impegni istituzionali e lavora a fianco del padre, ormai anziano. Dopo la sua morte, il primo gennaio 1980, si dedica al riordino delle carte e cura la pubblicazione dei Diari di Pietro Nenni. Il 22 febbraio 1995 riceve il riconoscimento di Grande Ufficiale al merito della Repubblica Italiana e anche nell’ultima parte della sua vita sarà un’attenta osservatrice della vita politica e interlocutrice di molti dirigenti socialisti.
Muore a Roma il 19 marzo del 2002.