- Bố mẹ của Thu Phương đều là công nhân viên, bố cô là nhân viên của một công ty xây dựng, mẹ làm việc tại công ty dịch vụ ăn uống của Hải Phòng. Bố của Thu Phương là người truyền đam mê nghệ thuật sang cho cô trong giai đoạn tuổi thơ nhiều khó khăn.
Thu Phương có anh trai là ca sĩ Nguyễn Quang Minh và em gái là Hoa khôi Thể thao đầu tiên của Việt Nam năm 1993 - Nguyễn Thị Kim Oanh.
- Thu Phương lên sân khấu lần đầu năm 12 tuổi với bài hát Chỉ có một trên đời của nhạc sĩ Trương Quang Lục.
- Thu Phương từng là hạt nhân đội múa của Cung Hữu nghị Việt Tiệp.
- Năm 14 tuổi, Thu Phương trúng tuyển vào Nhà hát Tuổi Trẻ ở Hà Nội.
- Năm 1988, lần đầu tiên cô đi hát ở công viên Thủ Lệ với ca khúc Tuổi đời mênh mông. Cuối năm 1988, cô tham gia vào ban nhạc Tây Hồ.
- Năm 1990, Thu Phương tốt nghiệp trung cấp thanh nhạc - Nhạc viện Hà Nội.
- Trong thập niên 80, Thu Phương là thành viên hát chính trong ban nhạc rock Tây Hồ.
- Trong thập niên 90 cô chính thức trở thành diễn viên của Nhà hát Tuổi Trẻ.