Hijo de Baldassare y Maddalena Zignani, y hermano menor de Claudio Monteverdi, fue bautizado en la parroquia de los Santos Nazario y Celso. No sabemos nada acerca de su educación musical, excepto que estudió órgano, al parecer, con Marco Antonio Ingegneri; de hecho, su primer trabajo profesional conocido fue como organista de la Catedral de Mantua. Pero se mantuvo en el cargo durante sólo cinco meses, de abril a septiembre de 1600, después de lo cual regresó a Cremona. Tal vez ya a partir de agosto de 1602 entró al servicio de los Gonzaga con otros músicos, pero fue contratado en forma permanente desde 1604 por una suma de 7 coronas al mes; aunque no se conocen con precisión sus tareas, es razonable creer que fue utilizado como intérprete de instrumentos de teclado y, si era necesario, como compositor. Durante este periodo compuso una canzonetta contenida en los "Nuovi fioretti musicali" de Amante Franzoni (1605) y otras dos, sobre versos de Ansaldo Ceba, en los "Scherzi musicali" (1607) de Claudio Monteverdi; para esta colección, cuya publicación supervisó, señaló la famosa 'Dichiaratione', documento fundamental de la llamada 'seconda pratica': en ella, glosando parcialmente el breve epílogo que Claudio había publicado en su "Quinto libro di madrigali a 5 voci" (1605), defiende puntualmente a su hermano contra los ataques de Giovanni Maria Artusi.

Como compositor de la corte fue el encargado de escribir la música para el cuarto intermedio (texto de Gabriello Chiabrera) realizado durante la "Idrópica" de Battista Guarini, comedia representada en 1608 para la boda del príncipe Francesco (música perdida). Cuando este último se convirtió en gobernador de Monferrato en 1609, Giulio Cesare fue nombrado su maestro di cappella, preferido a Galeazzo Sirena también por el criterio a la manera de Claudio en una carta escrita desde Cremona a Alessandro Striggio. En su nuevo cargo, compuso la música para "Il rapimento di Proserpina" sobre texto de Ercole Marigliani, representada en 1611 en Casale Monferrato con la participación de cantantes famosos de servicio en la corte de Mantua (Adriana Basile, Virginia Ramponi Andreini y Francesco Rasi; la música se ha perdido). El 10 de junio de 1612 Francesco se convirtió en duque de Mantua sucediendo a su padre Vincenzo; poco tiempo después, el 28 de julio, despidió a los hermanos Monteverdi, mostrando creer en el rumor de que Claudio estaba a punto de salir de Mantua y Giulio Cesare de tomar su lugar como maestro di cappella.

Edición discográfica de obras de Giulio Cesare Monteverdi

No hay información hasta 1615, pero no se ha descartado un servicio en el Obispado de los Gonzaga, con quienes ya debía haber tenido alguna conexión; la recordada antología de Franzoni menciona en la portada que las composiciones contenidas en este documento se han recogido 'dall'illustrissimo signor Fulvio Gonzaga marchese, prencipe del Sacro Imperio e signor di Vescovato'. En la dedicatoria de "Affetti musici" de 1620, dirigida a Francesco Gonzaga señor del Obispado, recuerda que 'no poco tiempo también permaneció al servicio de los excelentes predecesores de V.E.', es decir consignatarios y hermanos Carlo (padre de Francesco), Pirro María, Giordano y especialmente Fulvio, que murió en 1615. En diciembre de 1615 se convirtió en organista de la iglesia parroquial de Castelleone, un pueblo cerca de Crema, cuya comunidad había tratado en vano de conseguir a Tarquinio Merula; Fue contratado oficialmente el 2 de enero de 1616, con un salario anual considerable de 60 ducados y el uso gratuito de la vivienda. Entre sus funciones también estaba la enseñanza del canto y el mantenimiento del órgano, del cual mejoraría el sonido mediante el acortamiento de los caños; no logró su intento y debió proveer por lo tanto otro instrumento (tal vez uno mejor) que estuviera disponible en la iglesia por muchos años.

En Castelleone permaneció hasta principios de abril de 1622, cuando partió para participar en la competencia para organista y para maestro di cappella de la catedral de Salò (10 de abril). Ganó el de maestro di cappella (Giovanni Battista Tonnolini el de organista) por un período de tres años, probablemente con las mismas condiciones económicas de sus predecesores, sin aumento de sueldo y sin el uso gratuito de la casa: lo que obligó a Monteverdi a vivir en una situación económica bastante difícil. El contrato fue renovado en 1625 por una abrumadora mayoría, a continuación en 1628, aunque no se conoce el documento de confirmación. Durante este período Monteverdi fue invitado por la Comunidad de Castelleone para retomar el rol de organista de la parroquia en lugar de Giovanni Battista Pasino por primera vez en julio de 1624, y una segunda en octubre de 1625. En el primer caso Giulio Cesare se declaró dispuesto a volver, tal vez en parte debido a las dificultades financieras que enfrentaba en Salo, pero la cosa no resultó por razones internas del concejo; para la segunda vez no existen documentos, pero la respuesta debió ser negativa.

Probablemente murió en Salò durante la peste de 1630 a 1631; el único documento en este sentido es una escritura notarial escrita el 18 de enero de 1635 cuando Claudio, habiendo tenido noticia de la muerte de su hermano, quiso hacer valer sus derechos de herencia, puesto que no había testamento.

El valor excepcional de la 'Dichiaratione' colocada al final de los "Scherzi musicali", manifiesto programático de la poética propia de la 'seconda pratica', ha puesto un poco en la sombra al compositor Giulio Cesare Monteverdi, así relegado a menor epígono de su hermano. Por desgracia, no nos ha llegado su obra más conspicua, "Il rapimento di Proserpina", que permitiría comprender mejor sus recursos como compositor en el campo de la monodia teatral y su efectiva adhesión a las nuevas instancias de expresión. Aparte de las ya mencionadas tres canciones, publicó sólo un libro de 'motetti concertati' para seis voces y bajo continuo en 1620, los "Affetti concertati", que datan en su mayoría de los años al servicio de los Gonzaga en Mantua y, probablemente, en el Obispado; son señales se esto algunos textos tomados directamente del breviario utilizado en la iglesia ducal de Santa Bárbara.

Las ambigüedades y ambivalencias estilísticas se ven en la coexistencia de motetes escritos en un lenguaje contrapuntista de transición, con bajo continuo ad libitum, y de composiciones que se anticipan a las articulaciones formales recitativo-aria de las décadas siguientes. La edición también contiene cuatro himnos, dos de ellos basados en textos del poeta y obispo de Cremona Marco Girolamo Vida (1480-1566), organizado en estructuras estróficas complejas gracias también a la contribución ocasional de instrumentos.