Hijo del editor Rafael Caro Raggio y de Carmen Baroja, sobrino del novelista Pío Baroja y del pintor Ricardo Baroja, y hermano del documentalista, etnógrafo y escritor Pío Caro Baroja, fue discípulo deTelesforo Aranzadi, José Miguel de Barandiarán, Hermann Trimborn yHugo Obermaier, quienes lo encaminaron a la historia y a la etnografía.

Se doctoró en Historia antigua por la Universidad de Madrid, donde ejerció brevemente como profesor. Posteriormente dirigió el Museo del Pueblo Español de Madrid, pero trabajó básicamente en solitario. Por distintas razones, tanto personales como circunstanciales, se mantuvo al margen de la universidad, excepto durante dos cortos períodos de docencia, uno en Coímbra y otro, mucho más tarde, en el País Vasco. Realizó numerosos viajes por España y el extranjero, con estancias prolongadas en Estados Unidos e Inglaterra (entre 1951 y 1953), dedicándose, como dijo alguna vez, «a sus labores».

Fruto de su formación y de los maestros que tuvo, sus primeros trabajos tratan sobre temas etnográficos, escritos cuando tan sólo tenía 15 años, así como su tesis doctoral en 1941, que fue la base de una trilogía muy posterior acerca de los ciclos de las fiestas de invierno (El carnaval, 1965), de primavera (La estación de amor, 1979) y de verano (El estío festivo, 1984).

Sus estudios relacionados con aspectos tecnológicos vienen de la época en que dirigió el Museo del Pueblo Español. Entre ellos caben destacar los dedicados a los arados españoles (1949) y a los molinos de viento (1952), publicados en la Revista de Dialectología y Tradiciones Populares, de la que fue director durante quince años.

Viajar al Sahara en 1952 hizo que su interés se orientara hacia el hecho de las minorías étnicas. Publicó los Estudios saharianos (1955), quizás el libro más valioso acerca de este territorio africano bajo dominio español en aquella época.Los moriscos del reino de Granada (1957) y otros posteriores marcan el sincretismo entre etnografía e historia, por ser fruto de su intensa labor de investigación en los archivos de la Inquisición: Las brujas y su mundo (1961), su obra más conocida, Vidas mágicas e Inquisición (2 vols., 1967) y, sobre todo, Los judíos en la España moderna y contemporánea(3 vols., 1961–1962). Otros estudios sobre grupos o minorías oprimidas nos dan una visión de los gitanos, mendigos obandidos del área mediterránea.

También fueron novedosos los titulados Ensayo sobre la literatura de cordel (1969), Las formas complejas de la vida religiosa (Religión, sociedad y carácter en la España de los siglos XVI y XVII) (1978), La aurora del pensamiento antropológico. La Antropología en los clásicos griegos y latinos (1983) y La cara, espejo del alma. Historia de la fisiognómica (1987).

Itzea, casa de los Barojaen Bera de Bidasoa.

En los 18 volúmenes que componen los Estudios vascos se recogen artículos publicados entre las primeras monografías (La vida rural en Vera de Bidasoa, 1944;Los vascos. Etnología, 1949) y obras de madurez como La hora navarra del XVIII(1969), Etnografía histórica de Navarra (3 vols., 1971–1972) y La casa en Navarra (4 vols., 1982). Sobre el viejo reino, y sobre Guipúzcoa, elaboró, con su hermano Pío, un par de extensas películas etnográficas.

En su obra Los vascones y sus vecinos estudia la historia antigua de dos pueblos, los vascones y sus vecinos de Aquitania. En este libro incorpora algunas novedades en relación con escritos anteriores, ya que dice que la lengua que más se puede comparar al euskera es la hablada en ciertos núcleos étnicos antiguos aquitanos e incluso pirenaicos más orientales.

Escribió también sobre su familia; en su gran ensayo, Los Baroja, habla sobre su tío Pío Baroja, su otro tío Ricardo, pintor, y sobre toda su familia. Fue enterrado en Vera de Bidasoa (Navarra), donde los Baroja poseen una casa familiar llamada «Itzea», palacete que adquirió su tío Pío.

En su obra —que alcanza unas setecientas entradas entre libros, artículos, prólogos y ensayos— destacan trabajos que fueron precursores en su día, aunque ahora cuenten con numerosos seguidores. Es considerado en España como el iniciador del llamado enfoque histórico-cultural y podemos decir que fue uno de los últimos sabios del siglo XX, reconocido como tal en el extranjero.

Académico de número de la Real Academia de la Lengua Española, de la Real Academia de la Historia y de la Real Academia de la Lengua Vasca. Recibió el Premio Príncipe de Asturias de Ciencias Sociales (1983), la Medalla de Oro al Mérito en las Bellas Artes (1984), el Premio Nacional de las Letras Españolas, el Premio Internacional Menéndez Pelayo(1989) y el Premio Príncipe de Viana de la Cultura (1989).

En su honor se puso su nombre a una plaza en San Sebastián y a un instituto en Fuenlabrada, Madrid, el I.E.S. Julio Caro Baroja (Fuenlabrada).