Thu Quỳnh bắt đầu sự nghiệp diễn xuất trong một số phim truyền hình như Nhà có nhiều cửa sổ, 13 nữ tù khi cô còn là sinh viên. Năm 2018, Thu Quỳnh ghi dấu ấn mạnh với khán giả qua vai diễn My sói trong bộ phim truyền hình Quỳnh búp bê[2]. Năm 2019, cô tiếp tục gây ấn tượng mạnh với khán giả qua vai diễn cô chị cả Thu Huệ đảm đang và quá đỗi hiền lành, cam chịu nhưng cũng không kém phần mạnh mẽ, dứt khoát trong bộ phim Về nhà đi con. Thu Quỳnh đoạt giải Diễn viên Nữ Xuất sắc tại Liên hoan Truyền hình Toàn quốc lần thứ 39 (tháng 12 năm 2019) với vai này; phim Về nhà đi con cũng đoạt giải Đặc biệt (hạng mục Phim truyện Truyền hình).[6] Năm 2021, trong phim "Hương vị tình thân", Thu Quỳnh hóa thân trọn vẹn vào vai Khánh Thy vừa đáng thương vừa đáng trách, sinh ra và lớn lên trong hoàn cảnh gia đình quá đỗi éo le, nhiều bi kịch cho nên đời sống nội tâm rất phức tạp, và hành vi luôn bị giằng xé giữa thiện và ác.

Về sân khấu, Thu Quỳnh cũng đạt được những thành tựu đáng kể. Thu Quỳnh giành được Huy chương Bạc trong Hội diễn sân khấu kịch Lưu Quang Vũ năm 2013 với vai diễn Oanh trong tác phẩm "Mùa hạ cuối cùng".[2] Năm 2018, với vai diễn Thùy Liên trong vở "Hoa cúc xanh trên đầm lầy" (kịch bản của Lưu Quang Vũ), Thu Quỳnh đã đoạt Huy chương Vàng tại Liên hoan Sân khấu Toàn quốc (tháng 4 năm 2018); vở diễn "Hoa cúc xanh trên đầm lầy" của Nhà hát Tuổi trẻ cũng đoạt giải Vàng. Tại Liên hoan Sân khấu Thủ đô lần thứ III (tháng 11 năm 2018), Thu Quỳnh đã đoạt Huy chương Bạc với vai Giang trong vở kịch "Họa tình".[7] Năm 2019, tại Liên hoan Quốc tế Sân khấu Thử nghiệm lần thứ IV (tháng 10 năm 2019) tại Hà Nội, Thu Quỳnh đã giành được Huy chương Vàng với vai Sonya trong vở "Cậu Vanya"; vở diễn "Cậu Vanya" của Nhà hát Tuổi trẻ cũng xuất sắc đoạt giải Vàng.[8] Năm 2020, Thu Quỳnh đã đoạt Huy chương Vàng tại Liên hoan Sân khấu Thủ đô lần thứ IV với vai cô giáo Nhung trong vở kịch "Đợi đến mùa xuân".[9]

Hiện tại, Thu Quỳnh là một diễn viên thuộc Đoàn kịch II - Nhà hát Tuổi Trẻ.

Cô tham gia cuộc thi Hoa hậu Việt Nam 2008 và lọt vào Top 30 chung cuộc.