Ông là người huyện Đăng Xương (1884, đổi là Thuận Xương)[1], thuộc phủ Triệu Phong, tỉnh Quảng Trị [2]. Lớn lên, không rõ năm nào, ông theo chúa Nguyễn vào Gia Định, rồi từng được bổ làm Khâm sai thuộc nội Cai đội quân Thần Sách [3], Vệ úy vệ Hổ uy[4].

Sau khi nhà Tây Sơn bị đánh đổ, năm Gia Long thứ 2 (Quý Hợi, 1803), thăng ông làm Hữu doanh Vệ úy, Khâm sai Chưởng cơ, coi quân bản doanh. Chẳng lâu sau, ông nhận mệnh "theo thủy quân của Đô thống chế Thái hòa hầu, ngồi thuyền Hải Đạo, đến địa phương Bắc Thành tiểu trừ giặc biển"[5].

Năm Gia Long thứ 14 (Ất Hợi, 1815), cử ông làm Lưu thủ [6] doanh Quảng Bình. Sau, có tội, ông bị biếm xuống Cai cơ[7].

Năm Minh Mạng thứ nhất (Canh Thìn, 1820), thăng ông làm Chưởng cơ[8], rồi lại thăng làm Phó Đô thống chế doanh hậu quân Thần Sách, lãnh nhiệm vụ Phó Đốc trấn Thanh Hóa[9].

Năm Minh Mạng thứ 6 (Ất Dậu, 1825), cử ông coi việc đào sông (kênh) Vĩnh Định ở Quảng Trị. Theo Quốc triều sử toát yếu, thì công việc khởi sự vào tháng 3 (âm lịch) năm ấy. Sử thần chép: "Vì lúc bấy giờ các trấn lâu không mưa, giá gạo hơi cao, triều đình bàn khởi việc công dịch để lấy tiền nuôi dân. Sông đào xong, tùy bậc thưởng cấp" [10]. Xong việc, cất ông làm Phó Đô thống chế thị nội doanh Long Vũ.

Năm Minh Mạng thứ 8 (Đinh Hợi, 1827), lại cho ông kiêm quản Tòa Thương Bạc. Tháng 5 (âm lịch) năm đó, quân Xiêm La (Thái Lan ngày nay) đánh lấy nước Vạn Tượng (Lào ngày nay), khiến vua nước ấy là A Nỗ phải chạy sang Việt Nam cầu cứu. Vua Minh Mạng liền cho Phan Văn Thúy sung chức Kinh lược biên vụ đại thần kiêm lĩnh Trấn thủ Nghệ An để lo việc.

Năm Mậu Tý (1828), ông cùng Phó tướng Nguyễn Văn Xuân, Tham tán Nguyễn Khoa Hào...đem 2.000 lính Kinh, 30 con voi, tiến đến đóng đồn ở phủ Trấn Ninh (Nghệ An)[11] rồi tìm cách đưa vua A Nô về nước [12].

Ít lâu sau, nhà vua ban chỉ triệu ông về, thăng làm Đô thống, cho lĩnh chức Phó Tổng trấn Bắc Thành. Thấy mình đến tuổi 70, nhiều lần ông dâng sớ xin về hưu, nhưng nhà vua cứ ủy lạo lưu lại[13].

Theo sách Quốc sử di biên của danh thần Phan Thúc Trực, thì lúc làm Phó Tổng trấn, Phan Văn Thúy đã dâng sớ xin đổi cách mặc quần áo ở Bắc Thành, và được vua nghe theo. Sách Quốc triều sử toát yếu chép: "Tháng 10 (âm lịch) năm Mậu Tý (1828), truyền đổi cách ăn mặc từ sông Gianh trở ra Bắc" [14].

Năm Minh Mạng thứ 14 (Quý Tỵ, 1833), cho ông làm Thự Hậu quân Đô thống Chưởng phủ sự, tước Chương Nghĩa hầu. Gặp lúc Lê Văn Khôi khởi binh chống Nguyễn ở thành Phiên An, nhà vua cho ông làm Thảo nghịch Hữu tướng quân. Đến nơi, ông và Tham tán Trương Minh Giảng tiến quân phá tan một đội quân nổi dậy ở trạm Biên Long. Tháng 8 (âm lịch) năm đó, ông bị bệnh tại quân thứ Biên Hòa[15], chuyển về đến Khánh Hòa thì mất.

Thương tiếc, vua Minh Mạng cho truy tặng ông là Đặc tiến Tráng Vũ tướng quân Thiếu bảo, ban tên thụy là Trung Tráng. Sau đó, nhà vua còn cho thiết đàn tế ở bên sông Hương, đồng thời sai Hoàng tử Vĩnh Tường công Miên Hoành làm lễ tứ tửu (tức lễ dâng rượu vua ban) [16].

Năm Bính Thân (1836), tên ông được khắc trên bia Võ công dựng tại Võ miếu (lập năm 1835), và đứng hàng thứ ba trong số 20 danh tướng của triều Nguyễn [17].