Thuy Trang sinh ra tại Sài Gòn, miền Nam Việt Nam vào ngày 14 tháng 12 năm 1973,[1][2] có bố là Ky Trang còn mẹ là Be Trang. Cô cũng có hai anh trai và một em gái. Cha cô, một sĩ quan Lục quân Việt Nam Cộng hòa, đã được giao nhiệm vụ bảo vệ Sài Gòn và chống lại cuộc tấn công của Quân đội nhân dân Việt Nam. Sau sự kiện 30 tháng 4 năm 1975, ông buộc phải rời xa gia đình, chạy trốn khỏi đất nước và di cư sang Hoa Kỳ.[3] Trang và gia đình cô đã sống trong một trại tạm giam khi cha cô đệ đơn lên chính phủ Hoa Kỳ để xin tị nạn chính trị cho gia đình mình. Gia đình ông sau đó trốn khỏi Sài Gòn khi Trang được hai tuổi.[4][5][6]

Năm 1979, cô và gia đình bí mật lên con tàu chở hàng đến Hồng Kông,[7] bắt đầu cuộc hành trình gian nan và phải ở cùng nhiều người trong một không gian chật chội, thiếu thức ăn và nước uống. Chuyến đi kéo dài khoảng tám hoặc chín tháng và ít nhất đã có bốn người chết.[3] Thuy Trang bị đổ bệnh vì không được ăn trong một thời gian dài và mẹ cô phải cố gắng nhồi thức ăn xuống cổ họng cô trong khi cô bất tỉnh để giữ cho Trang sống. Thậm chí, có lúc những hành khách khác trên tàu tưởng rằng cô đã chết và muốn ném xác ra ngoài để chừa thêm chỗ cho những người khác lánh nạn, nhưng mẹ cô đã kịp thời ngăn cản họ.[3][4][6] Gia đình Trang cuối cùng cũng được đoàn tụ ở Hoa Kỳ vào năm 1980[1][3] và định cư tại thành phố Fountain Valley, California.

Trang không nói được tiếng Anh khi mới đến Hoa Kỳ và phải học lại từ đầu. Thời gian này cô cũng bắt đầu học võ Thiếu Lâm[3] và đã có đai đen.[8] Trang tâm sự về việc học môn võ này như sau:[3]

Môn võ này thực sự tốt bởi vì nó tạo nên rất nhiều chí khí và làm cho con người tôi trở nên mạnh mẽ hơn, đặc biệt là vượt qua tất cả những thứ tôi đã trải nghiệm để đến được Mỹ. Nó chỉ dạy cho tôi rất nhiều về tôi là ai và tôi là cái gì, và về sự tôn trọng, kỷ luật, sự kiên nhẫn, sự kiên trì và sức bền.

Cha của Thuy Trang đã qua đời vào năm 1992[4] khi cô lên 18 tuổi. Thời gian này Trang cũng vừa tốt nghiệp Trường trung học Phineas Banning thuộc khu dân cư Wilmington ở Los Angeles[1] và nhập học tại Đại học California, Irvine (UCI) để trở thành một kỹ sư dân dụng, giống với cha cô và các anh chị em của cô.[1][4] Trang có sở thích chơi quần vợt, chạy bộ và đọc tiểu thuyết lãng mạn.[1][5][9] Cô còn nuôi một con chó tên là Nia.[5] Sự tập trung của Trang sau đó đã hướng vào diễn xuất khi cô vô tình bắt gặp người chiêu mộ tài năng trong lúc đang đi chơi với bạn bè. Thuy Trang đã được giới thiệu tham gia lớp diễn xuất của UCI vào năm 1992 và được chọn làm diễn viên trong một quảng cáo cho Nhà thờ Khoa luận giáo mặc dù cô theo Phật giáo.[7][10][11] Là thành viên đầu tiên trong gia đình theo đuổi nghiệp diễn,[10] Thuy Trang quyết định sẽ tạm gác việc học lại một thời gian để tập trung vào diễn xuất.[4][10]