Thu Quỳnh sinh năm 1988 ở Hà Nội, trong gia đình có truyền thống nghệ thuật. Bố cô là diễn viên múa, mẹ là diễn viên của Đoàn Kịch Quân đội. Thuở ba, bốn tuổi, diễn viên có gương mặt bầu bĩnh, mắt to, để tóc dài. 
Cô thừa hưởng nhiều đường nét của mẹ.
Diễn viên ăn mặc điệu đà năm lên bốn tuổi. 
Năm 20 tuổi, khi đang là sinh viên Đại học Sân khấu Điện ảnh, cô dự thi Hoa hậu Việt Nam 2008. Ở vòng sơ khảo phía Bắc, cô được chuyên gia trang điểm Thái Phạm thiết kế kiểu tóc mái xéo, vấn phía sau.
Thu Quỳnh khoe dáng với áo tắm ở vòng chung kết toàn quốc. Khi đó, cô cao 1,66 mét, số đo ba vòng là 81-62-88 cm. Người đẹp không đoạt thành tích nào tại cuộc thi.
Sau khi tốt nghiệp Đại học Sân khấu Điện ảnh, Thu Quỳnh công tác tại Nhà hát Tuổi trẻ. Trên phim ảnh, cô gắn với hình tượng dịu dàng qua các tác phẩm truyền hình như "Hoa hồng mua chịu", "Hương ngọc lan", "Nơi ẩn nấp bình yên"... 
Năm 2018, cô lột xác qua vai My Sói - cô gái làng chơi mưu mô, thủ đoạn trong "Quỳnh Búp Bê". Để hóa thân nhân vật, cô cắt tóc ngắn, trang điểm đậm. Ngoài đời, người đẹp cũng ăn mặc ngày một gợi cảm. So với thời điểm thi Hoa hậu Việt Nam, diễn viên mặn mà hơn. Cô hiện cao 1,68 mét, số đo ba vòng là 84-62-93 cm. Thu Quỳnh khẳng định chưa phẫu thuật thẩm mỹ. 
Diễn viên gần đây được quan tâm với vai mới trong phim "Về nhà đi con", đóng cùng NSƯT Trung Anh, Bảo Thanh, Bảo Hân... Cô vào vai Huệ, người phụ nữ đảm đang, dịu dàng, gặp trắc trở trong đời sống hôn nhân. Khán giả khen ngợi diễn xuất của Thu Quỳnh chân thực. Ngoài đời, sau ly hôn Chí Nhân, cô tập trung đóng phim, chăm lo cho con trai - bé Be.