Ghi chép về Thiên Thụy công chúa khá vắn tắt, chủ yếu bà được biết đến là chị của Trần Nhân Tông và có mối quan hệ tình cảm với Nhân Huệ vương Trần Khánh Dư, người được Trần Thái Tông nhận làm Thiên tử nghĩa nam[8][9].

Trong Chiến tranh Nguyên Mông-Đại Việt lần thứ nhất, Trần Khánh Dư là tướng trẻ, lập được công lao nên được Thái thượng hoàng đế Trần Thái Tông nhận làm con nuôi. Nhờ đó, ông được tự do ra vào cung cấm và Trần Khánh Dư đã gặp Thiên Thụy công chúa. Khoảng thời gian đấy, nếu có lập quân công được thì Trần Khánh Dư ít nhiều phải ngang tuổi với Trần Thánh Tông, và nếu quả thật như vậy thì Trần Khánh Dư khá là lớn tuổi hơn nếu so với Thiên Thụy công chúa.

Hưng Đạo vương Trần Hưng Đạo đã hỏi xin cưới Thiên Thụy công chúa cho con trai là Hưng Vũ vương Trần Quốc Nghiễn. Trần Thánh Tông đã hứa gả. Thiên Thụy công chúa vì thế không thể trái lệnh nên trở thành vợ Hưng Vũ vương. Mặc dù vậy, Khánh Dư và Thiên Thụy vẫn lén lút gặp nhau và chuyện vỡ lở. Trần Khánh Dư bị phạt vì tội thông dâm, bị xử đánh đến chết. Tuy vậy ông được xử nhẹ nên thoát chết, bị phế truất binh quyền và tịch thu gia sản[8][9]. Trong khi đó Thiên Thụy công chúa không được ghi chép ra sao.

Năm 1282, trước Chiến tranh Nguyên Mông-Đại Việt lần thứ hai, Trần Khánh Dư được phục chức. Theo ĐVSKTT ghi lại, Trần Khánh Dư lại không sửa hết lỗi lầm, đây có lẽ ý chỉ việc ông vẫn còn quan hệ qua lại với Thiên Thụy công chúa[10][11]. Từ đây, không có ghi chép về hành trạng của bà mãi cho đến khi bà qua đời.

Tháng 10 âm lịch năm Mậu Thân (1308), Thiên Thụy công chúa ốm nặng, Trần Nhân Tông bấy giờ là Thái thượng hoàng, đang tu trên núi Yên Tử cũng phải xuống núi để đến thăm công chúa. Thượng hoàng nói: "Nếu em đã đến ngày đến giờ thì cứ đi, thấy âm phủ có hỏi thì trả lời rằng: Xin đợi một chút, anh tôi là Trúc Lâm đại sĩ sẽ tới ngay"[2][3]. Ngày 3 tháng 11 cùng năm (tức 16 tháng 12 năm 1308), Thiên Thụy công chúa mất, không rõ bao nhiêu tuổi. Cùng ngày hôm đó, Nhân Tông cũng băng hà.