Trần Thu Hà sinh ra trong một gia đình nghệ sĩ, cha là ca sĩ, nghệ sĩ nhân dân Trần Hiếu, mẹ là nhà giáo ưu tú Vũ Thúy Huyền, nguyên trưởng khoa Thanh nhạc Nhạc viện Hà Nội, chú là nhạc sĩ Trần Tiến. Anh trai cô đi theo đi theo nghiệp hội họa. Năm Hà 14 tuổi, mẹ cô mất. Khởi đầu, Hà có chất giọng mỏng, thiếu cá tính, hát dễ phô do đó bố mẹ cô không muốn cô theo nghiệp ca hát. Cô học múa ở Cung thiếu nhi Hà Nội năm 6 tuổi. Năm 8 tuổi, cô bắt đầu học piano. Cho đến khi 10 tuổi thì cô lại thi vào hệ sơ cấp thanh nhạc trường Cao Đẳng Văn Hóa Nghệ Thuật Hà Nội. Năm 1995, sau khi tốt nghiệp trung cấp thanh nhạc, cô lại tiếp tục theo học và tốt nghiệp hệ Đại học khoa thanh nhạc Nhạc viện Hà Nội vào năm 2000.