Belletti commence sa carrière au Cruzeiro EC en 1993. Après deux saisons, il se dirige vers le São Paulo FC qui le prête en 1998 à l'Atlético Mineiro avant de le laisser partir vers l'Europe. Il arrive dans la Liga espagnole en rejoignant Villarreal à l'orée de la saison 2002-2003, puis le Barça quelque temps après.
La première recrue de la seconde saison présidentielle de Joan Laporta est présentée aux supporters du FC Barcelone le . Belletti arrive du Villarreal CF, club avec lequel il a remporté la Coupe Intertoto et atteint les demi-finales de la Coupe UEFA. Il est recruté par les catalans pour remplacer le néerlandais Michael Reiziger.
Il atteint son heure de gloire en marquant le but de la victoire 2-1 du FC Barcelone sur Arsenal lors de la finale de la Ligue des champions 2005-2006 au Stade de France. Au mercato d'été 2007, il signe un contrat de trois ans avec le club londonien de Chelsea. Le club verse en échange 5,5 millions d'euros au Barça. Chelsea annonce officiellement son départ du club le . Le , il signe à Fluminense pour deux ans.
Juliano Belletti compte 23 sélections (entre 2001 et 2005) avec l'équipe du Brésil, la première en mars face à l'Équateur en 2001. Il ne fut jamais titulaire en raison de la présence de l'indiscutable Cafù qui jouait au même poste.
