Nasce all'Avana il 25 marzo 1903 da Nicanor Mella, dominicano e Cecilia Magdalena McFartland, inglese. Fu iscritto all'anagrafe come Nicanor McFartland. Frequentò la scuola primaria in un collegio cattolico per stranieri, da dove fu espulso per essersi ribellato ad un castigo fisico. Terminati gli studi di scienza e lettere nell'Istituto secondario di Pinar del Rìo cominciò a farsi conoscere come Julio Antonio Mella. Con questo nome s’iscrisse all'Università dell'Avana alle facoltà di Diritto, Filosofia e Lettere. Nel '22 conobbe Josè Arce, rettore dell'Università di Buenos Aires e medico d’idee progressiste e antimperialiste. Le battaglie per la riforma universitaria scoppiarono all'inizio del '23; Mella con i suoi compagni prese d'assalto la collina universitaria, obbligando il presidente Zayas ad accettare la maggioranza delle richieste studentesche. Il 23 d’ottobre, organizzò il 1° Congresso Nazionale degli Studenti al quale presero parte 128 delegati di tutto il paese. Nel congresso Mella e il suo gruppo rivoluzionario trionfarono sulla corrente reazionaria che si dichiarava a favore della dottrina Monroe, del Panamericanismo stile yankee e dell'Enmienda Plat. Il 3 novembre del 1923 venne inaugurata la "Università Popolare José Martì" sotto la direzione di Mella.

Ben presto però, i 15 insegnanti dell'Università Popolare furono costretti a tenere le loro lezioni nei centri operai perché veniva loro impedito l'insegnamento all’interno dell'Università. L'Università Popolare fu definitivamente chiusa nel '25 dal governo di Machado, con il pretesto che era un pericoloso focolaio di comunismo. Negli anni '23-'24, Mella creò la Lega Antimperialista di Cuba e la Lega Anticlericale: la prima aveva come obiettivo organizzare il popolo nella lotta contro la penetrazione straniera e risvegliare la coscienza di Cuba e dell'America per liberarsi dallo sfruttamento coloniale imperialista, la seconda eliminare l'influenza religiosa nell'insegnamento. Nell'agosto del '25, come delegato del Gruppo Comunista dell'Avana, cui apparteneva dall'inizio del '24, fonda assieme a Carlos Baliño, il Partito Comunista di Cuba. Mella fu eletto membro del Comitato Centrale. In quello stesso periodo giunse all'Avana una nave sovietica con l'obiettivo di caricare zucchero; con la scusa che "la visita dei marinai sovietici era contro gli interessi della società", Machado ordinò che s’impedissero lo sbarco a terra dei marinai e l'entrata della nave nel porto dell'Avana. In seguito a proteste operaie alla nave fu permesso di ancorarsi nella baia di Cardenas a 2/3 miglia dalla costa. Mella, di notte per evitare la polizia, raggiunse a nuoto la nave e consegnò in segno di solidarietà e in nome del popolo una bandiera cubana e in cambio ne ricevette una sovietica.
Il 25 settembre 1925 Mella fu espulso dall'Università. Il pretesto fu la richiesta di spiegazione che Mella fece ad un professore che aveva offeso sua moglie, Olivia Zaldìvar; il docente accusò Mella davanti alla direzione universitaria che approfittò dell'occasione per allontanarlo dall’attività rivoluzionaria studentesca. Nonostante ciò, Mella continuò ad essere il leader incontrastato degli studenti. Il 26 novembre mentre, su invito degli studenti, stava tenendo un discorso all'Università, la polizia cercò di arrestarlo ma gli studenti lo impedirono. Machado fu avvertito dell'accaduto e il giorno seguente, all'uscita del Centro Operaio di Zulueta y Gloria, Mella fu arrestato. Lo accusarono d’infrazione della legge sugli esplosivi e sedizione. In carcere, per protesta, iniziò uno sciopero della fame che durò 19 giorni e in cui perse 16 chili. La protesta studentesca fu talmente forte, che il tribunale lo condannò soltanto a 200 pesos di multa. Ma ormai Mella era nel mirino di Machado e, su pressione dei compagni, accettò di espatriare. Verso la fine di gennaio del '26, sotto falso nome s’imbarcò su una nave dal porto di Cienfuegos verso l'Honduras; passando per il Guatemala arrivò in Messico il 9 febbraio. Qui, iniziò una nuova fase di lotta, non solo per la sua patria, ma per l'America intera. In Messico fondò e diresse varie organizzazioni antimperialiste, studentesche e contadine e arrivò ad essere membro del Comitato Centrale del Partito Comunista Messicano. Al fianco dei contadini lottò per la riforma agraria. Lottò al fianco dei minatori nei grandi scioperi e si batté per la nazionalizzazione del petrolio. Nel '27 partecipò al Congresso Mondiale contro l'oppressione coloniale e l'imperialismo celebrato a Bruxelles, come rappresentante della Lega Antimperialista delle Americhe, sezione del Messico, Salvador e Panama, e come rappresentante della Lega Contadina Nazionale del Messico. Attraversando la Germania, aiutato dai comunisti di quel paese, realizzò il suo sogno di visitare l'URSS e partecipò al congresso dell'Internazionale Rossa a Mosca. Alla fine del1928 prese contatto con il Partito Nazionalista di Cuba, proponendo un’azione congiunta contro Machado, per assumere il potere attraverso una spedizione armata, ma la delazione di un traditore fece fallire sul nascere questa iniziativa. Il dittatore Machado temeva fortemente l'attività del rivoluzionario Mella e diede ordine di ucciderlo ad ogni costo. Il 10 gennaio 1929, di notte, Julio Antonio Mella, mentre camminava in compagnia della comunista italiana Tina Modotti, sua inseparabile compagna, venne colpito alle spalle ed ucciso. L'assassino materiale fu Lòpez Baliña, l'organizzatore Magriñat e il mandante Gerardo Machado.