inizia la sua carriera nelle giovanili del Botafogo, passando in prima squadra nel 1998, ma, alla fine della stagione successiva (in cui registra solo 2 presenze), si trasferisce al Sertaozinho.
Dopo diverso girovagare per le squadre brasiliane, con una parentesi al Santos dove vince per due volte il titolo brasiliano, Julio Sergio passa prima alla Juventude e poi all'America SP, prima di trasferirsi alla Roma, su segnalazione dell’ex difensore giallorosso Zago.
Nelle prime 3 stagioni non viene mai impiegato, venendo definito tra l’altro in maniera ironica, ma non troppo simpatica da Luciano Spalletti “il miglior terzo portiere del mondo”.
All’inizio del 2009-2010, a causa dell’infortunio di Doni (e di quello del nuovo acquisto Lobont) e delle prestazioni tutt’altro che convincenti del 2° portiere Artur, mister Spalletti decide di schierare a sorpresa Julio Sergio contro la Juventus, nel match dell’Olimpico (2° giornata).
Bertagnoli non sfigura e, nonostante i 3 gol subiti, si mette in evidenza per il coraggio nelle uscite e per alcune parate importanti sui colpi di testa avversari, guadagnando così il posto da titolare.
Nella stagione succesiva, nonostante il cambio di allenatore a campionato iniziato, rimane titolare, fermato però da un infortunio che rimarrà negli occhi dei tifosi giallorossi: quasi allo scadere della partita in casa del Brescia, subisce un colpo alla caviglia sinistra, ma avendo Ranieri terminato le sostituzioni, Bertagnoli rimane stoicamente in campo piangendo disperatamente per il gran dolore.
Rimane fermo per più di un mese perdendo il posto da titolare per poi alternarsi con Doni nella difesa della porta giallorossa per il resto della stagione.
La Roma non punta più su di lui nella stagione successiva e viene mandato in prestito a Lecce, dove giocherà un'annata disastrosa.
Rientra a Roma, ma messo ai margini della rosa sotto la gestione Zeman.