Năm 4 tuổi, cô được mẹ cho tham gia đội ca Nhà Thiếu nhi Thành phố Hồ Chí Minh, chung với Ngọc Linh, Diễm Quyên, nhóm Mây Trắng, Mắt Ngọc,... Năm 11 tuổi cha mẹ chia tay và từ đó Thùy Trang ở với mẹ cùng em gái Thùy Linh kém cô 4 tuổi và tiếp tục sinh hoạt trong đội ca của Nhà Thiếu nhi. Đến năm lớp 8 thì thầy cô trong đội có kế hoạch thành lập một nhóm ca và thế là ba cô gái Nguyệt Anh, Thùy My, Thùy Trang được chọn vào nhóm TyMyTy. Nhóm thường đi biểu diễn cho các trường học và những sân khấu trong thành phố (Ví dụ như làn sóng xanh, kể cả ra những CD và VCD album nhạc trẻ. Thời gian này cô cũng nhận được nhiều lời mời quảng cáo, chụp hình hay quay clip.

Ban đầu khi đi hát cô lấy tên thật là Thùy Trang, nhưng sau mới biết cũng có một ca sĩ tên Thùy Trang chuyên hát nhạc dân ca. Thế là gia đình mới bói tên để chọn nghệ danh cho cô. Sau khi lấy ngày tháng năm sinh cộng lại, tính toán thì ra được hai cái tên: Song Nhi và Thùy Lâm. Cô quyết định lấy nghệ danh là Thùy Lâm, vì Thùy vốn là tên đệm và có vẻ nữ tính, còn Lâm nghe mạnh mẽ hơn.

Nhưng được gần 1 năm thì rời nhóm TyMyTy, vì ba muốn Thùy Lâm theo nghề của ba làm kinh doanh và đã chuẩn bị hồ sơ cho cô đi du học khi Thùy Lâm chưa tròn 14 tuổi (lúc này, Thu Hà vào nhóm TyMyTy để thay thế Thùy Lâm). Sau đó cô sang Đức du học vì có người chú đinh cư tại thành phố Halle từ lâu. Trong những lần biểu diễn các bài hát tiếng Anh và tiếng Đức, cô được người của trường đào tạo người mẫu Lieber Schule phát hiện và mời ký hợp đồng. Và sau đó trở thành người mẫu độc quyền của trường Lieber.[3] Sinh hoạt ở trường được hơn 2 tháng thì cô chuyển lên trung tâm chính đặt tại Dresden. Tại đây Thùy Lâm được huấn luyện những kiến thức về ngành thời trang, chế độ ăn uống, tập luyện thể hình chuyên nghiệp.

Hè năm 2004, hợp đồng của cô với trường Lieber kết thúc. Về Việt Nam cô học trường Trung hoc phổ thông Trưng Vương và tham gia cuộc thi Tiếng hát truyền hình thành phố Hồ Chí Minh, đoạt giải 4. Năm 2005 chuyển sang THPT Marie Curie và thi đỗ trường Cao đẳng văn hóa nghệ thuật.

Ngày 3 tháng 1 năm 2010, cô kết hôn với Tiến sĩ Kinh tế Nguyễn Anh Tuấn tốt nghiệp ở Hoa Kỳ năm 2008 và trở về Việt Nam làm việc. Hiện chồng cô công tác tại Ngân hàng Thế giới có trụ sở ở Hà Nội.[4]