Nguyễn Thu Thủy trước khi mất sống đơn thân với hai con. Cô có một người chồng cưới năm 2002 khi cô 26 tuổi và ly hôn năm 2005 khi cô 29 tuổi. Cô là người chủ động ly hôn[7]. Kể từ đó cô là bà mẹ đơn thân đến ngày cô qua đời (ngày 5/6/2021). Cô có hai con, con trai sinh năm 2004 với người chồng cũ, và con gái sinh với người yêu năm 2008. Theo thỏa thuận, sau khi ly hôn 2005, con trai còn bé nên ở với mẹ. Khi con trai lên cấp ba, con trai theo bố vào Sài Gòn sống. Con cô đều học trường quốc tế [3].

Thu Thủy vướng vào hai vụ scandal là người thứ 3 năm 2014 và 2017. Vào năm 2014, nhà văn Nguyễn Quỳnh Trang đã chỉ đích danh tên của Hoa hậu Thu Thủy khi tố chồng ngoại tình. Năm 2017, em họ Thu Thủy (tên Phương Anh) đã tâm sự về việc bị Hoa hậu cướp chồng chỉ 20 ngày trước lễ cưới cách đây 12 năm (tức năm 2005). Thu Thủy im lặng không trả lời[8].