Nguyễn Thu Thủy sinh ra trong một gia đình trí thức, cả bố và mẹ cô đều là cán bộ nghiên cứu của Viện Ngôn ngữ học. Bố cô là Giáo sư Tiến sĩ ngôn ngữ học Nguyễn Văn Lợi (1947-2020) từng là Phó Viện trưởng Viện Ngôn ngữ, còn mẹ cô là Tiến sĩ Chu Bích Thu soạn giả từ điển, nguyên Trưởng phòng Từ điển của Viện. Cô có một em trai sinh năm 1985 và đã có gia đình.

Sau khi đoạt vương miện, Thu Thủy đỗ Học viện Ngoại giao nhưng chỉ theo học một thời gian để sang Mỹ theo đuổi ngành Quản trị kinh doanh. Cô theo học Học viện Ngoại giao khóa 21 từ năm 1994 nhưng đã từ bỏ để sang Mỹ du học ngành quản trị kinh doanh, sau đó về nước mở thẩm mỹ viện tại Hà Nội. Thẩm mỹ viện đầu tiên của cô có tên là Bellissima Salon tại Phố Huế, Hà Nội. Cô cũng có biệt danh là Bellissima Thủy.

Năm 2011, ở tuổi 35, cô là Chủ tịch Hội đồng quản trị, Tổng Giám đốc chuỗi Bellissima Salon & Spa, Chủ sở hữu thương hiệu XaXi Nail, CEO Công ty Thiên Thủy[3]. Công ty của Thu Thủy lúc đó có mặt ở Bắc, Trung, Nam các Spa với trên 100 nhân viên. Hoạt động kinh doanh sau đó bị phá sản, thu hẹp.

Thu Thủy theo đuổi công việc MC truyền hình từ năm 2015. Cô từng làm biên tập viên cho Đài truyền hình Công an nhân dân, VTC14.

Năm 2015, sau khi trở về từ châu Âu, Thu Thuỷ từng thực hiện bộ phim về người Việt ở châu Âu, trong đó chị đóng vai trò tổ chức sản xuất, biên kịch và biên tập.

Qua đời

Cô qua đời vào hồi 4h30 ngày 5 tháng 6 năm 2021 sau một cơn đột quỵ[4]. Theo nguồn tin của Zing từ Bệnh viện Trung ương Quân đội 108 (Hà Nội), khoảng 23h ngày 4/6, Hoa hậu Nguyễn Thu Thủy được người thân đưa vào viện cấp cứu. Thời điểm này, bệnh nhân đã bị ngừng tim[5]. Nguyên nhân cái chết chưa được làm rõ vì gia đình cho biết cô đã bị bệnh mấy ngày trước khi qua đời.[6]