Elle intègre l’Ecole Polytechnique, en 2001, où elle passe trois ans. Dans ce cadre, elle fait son service militaire dans la Marine, à la Réunion, avant de partir en école d’application à Stanford, où elle restera, pour faire un doctorat en astrophysique. Elle se spécialise alors sur la question de l’imagerie médicale.
La chercheuse commence sa carrière chez Heart Vista, startup qui met au point des techniques d’IRM cardiaque en temps réel, avant de rejoindre en 2014 l’incubateur de Google dédié à la chirurgie robotique. L'intelligence artificielle est déjà au cœur du projet : les données collectées par les robots sur des centaines de milliers d'opérations doivent guider le chirurgien en temps réel.
Le Covid convainc la chercheuse de rentrer en France, où elle prend la direction de l’ingénierie de Google Research, puis, à la suite de la fusion entre Google Brain et DeepMind, celle des équipes en recherche fondamentale. Depuis la France, elle dirige une équipe internationale consacrée à la recherche fondamentale en IA et à ses applications dans les sciences de la vie et la santé. Elle y suit de près des projets comme MedGemma, où des modèles d’IA sont entraînés pour analyser des données médicales (radiographies, scanners, dossiers cliniques), afin d’aider les médecins à poser un diagnostic ou à repérer des anomalies.
En 2023, Joëlle Barral est appelée par Matignon pour rejoindre son comité consultatif sur l’IA, aux côtés d’une quinzaine d’autres experts. Deux ans plus tard, elle est nommée membre du groupe scientifique international indépendant sur l’IA, créé au sein de l’ONU en août 2025, par l’Assemblée générale des Nations unies.