Thu Quỳnh sinh năm 1988 trong gia đình có bố là diễn viên múa, mẹ là diễn viên của Đoàn Kịch Quân đội. Cô tốt nghiệp Đại học Sân khấu Điện ảnh, sau đó làm việc ở Nhà hát Tuổi trẻ. Với phim ảnh, cô được khán giả biết đến qua Sống Chung Với Mẹ Chồng, Ngược Chiều Nước Mắt, Hương Vị Tình Thân. Nhân vật My Sói trong Quỳnh Búp Bê của cô là vai phản diện ấn tượng trên màn ảnh Việt những năm gần đây.
Trong gia đình, cô là chị cả và có em trai tên Cao Sơn sinh năm 1997. Trong mắt Thu Quỳnh, em mình là "con nhà người ta" đúng nghĩa.
Thu Quỳnh
Em trai Thu Quỳnh từng có thời gian học tập tại trường THPT Chuyên Hà Nội - Amsterdam sau đó sang Nhật du học tại trường Đại học Kyushu Nhật Bản - đây là một trong những ngôi trường danh giá đứng thứ 3 tại xứ sở hoa anh đào.
Cao Sơn thông minh và giàu tình cảm. Cả hai chị em đều thừa hưởng vẻ ngoài của bố mẹ, nữ diễn viên "Hương vị tình thân" cho rằng em trai chính là "phiên bản nam" hoàn hảo của bản thân.
Thu Quỳnh cùng gia đình trong ngày em trai cô tốt nghiệp và nhận bằng Thạc sĩ sau 6 năm vất vả đèn sách nơi xứ người
Thu Quỳnh từng không ít lần thể hiện niềm ngưỡng mộ tới cậu em trai khi cao to, đẹp trai lại học giỏi nhất nhà. Bên cạnh đó, gương mặt của nhóc tỳ nhà Thu Quỳnh cũng được dân mạng nhận xét là giống hệt người cậu của mình trong những bức ảnh chung khung hình.
Chia sẻ về em trai trưởng thành, giỏi giang, Thu Quỳnh hài hước viết: "Tôi vẫn hay thắc mắc với pama là tại sao bố mẹ đẻ 2 đứa con, tôi thì học dốt còn nó học giỏi, nó ngoan còn tôi hư, nó hiền lành còn tôi thì như con giặc. Tại sao? Why? À, thôi thì con cũng có đứa nọ đứa kia! Nó là niềm tự hào của cả gia đình tôi! Chúc mừng tân cử nhân của chúng tôi! Chúc mừng tân sinh viên cao học, tân trợ giảng của trường Đại học Kyushu! Kết thúc 1 chặng, tự tin, vững vàng để sẵn sàng cho chặng tiếp theo 2 năm nữa em trai nhé! Yêu em của chị".
Trong một chương trình, Thu Quỳnh từng chia sẻ về người em trai: "Ở nhà tôi là chị cả. Tôi có một cậu em trai tính cách rất khác người. Em có những tư duy khác so với các bạn cùng lứa. Em sinh năm 1997 như ăn chay trường từ năm 2017. Đấy là người đàn ông có thể mang cả tấm thân ra bảo vệ, che chở cho tôi. Người đã khóc vì tôi rất nhiều.
Tôi mang những tình cảm gia đình đó để làm chất liệu cho vai Huệ trong Về Nhà Đi Con. Có nhiều việc trong cuộc sống, hai chị em thường chia sẻ với nhau. Ngoài bố ra, đó là người đàn ông có thể mang cả bản thân ra để che chở cho tôi, đã khóc vì tôi rất nhiều".
Thu Quỳnh cho biết vì con trai quá giống cậu nên thường bị nhầm là 2 bố con. Đồng thời, nữ diễn viên cũng bị hiểu nhầm là vợ của Cao Sơn. Cô viết: "Sang Nhật người ta còn nghĩ em là vợ thằng Sơn, Be là con đẻ của Sơn mà. 1 giọt nước mắm với 1 giọt nước tương mà giống nhau quá".