Hoàng Thùy sinh ra và lớn lên tại xã Trúc Lâm, huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa trong một gia đình có nhiều anh chị em. Cô có một người em gái tên Hoàng Linh, là thí sinh tham gia cuộc thi Hoa hậu Hoàn Vũ Việt Nam 2019 nhưng dừng chân sớm và không lọt vào Top 60.[2]Cô tốt nghiệp trung học phổ thông tại Trường THPT Tĩnh Gia 1 năm 2010.[3] Năm 2011, Thùy tham gia mùa thứ hai của loạt chương trình truyền hình thực tế tìm kiếm người mẫu Vietnam's Next Top Model khi đang là sinh viên theo học tại Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, đánh dấu bước đầu tiên trong sự nghiệp người mẫu của cô.[4]
Năm 2016, cô theo học chuyên ngành thiết kế thời trang tại trường Đại học Mỹ thuật Luân Đôn.[5]