Đỗ Thị Thảo sinh ra và lớn lên ở huyện Mộc Châu, tỉnh Sơn La.[2] Cô là con gái út trong một nhà ba anh chị em. Gia đình có cuộc sống bình thường, nghề nông miền núi. Thời còn nhỏ, Đỗ Thị Thảo thường xuyên giúp đỡ gia đình nội trợ, công việc đồng áng như đi cấy, chăn trâu, đồng thời theo học phổ thông.[2]

Tại trường học, cô tham gia các môn thể thao và dần dần thể hiện năng khiếu của mình. Thời trung học cơ sở, cô đại diện trường, tham gia các kỳ Hội khỏe Phù Đổng cấp huyện, cấp tỉnh Sơn La.

Năm 2007, khi 15 tuổi, Đỗ Thị Thảo được gọi vào đội tuyển thể thao tỉnh Sơn La, đội tuyển của Sở Văn hóa, Thể thao và Du lịch tỉnh Sơn La, đại diện tỉnh Sơn La tham gia các đại hội thể thao toàn quốc. Là thành viên của đội tuyển, cô tập luyện thường xuyên, được phụ cấp hỗ trợ sinh hoạt. Ban đầu, cô được hướng dẫn bộ môn taekwondo, rồi sau đó nhận định và chuyển hẳn qua điền kinh.[3]

Sau đó nhờ vào sự tiến bộ và khả năng, năm 2009, Đỗ Thị Thảo được gọi vào đội tuyển thể thao quốc gia, chuyển tới Đà Nẵng tập luyện hẳn. Cô bắt đầu sự nghiệp thi đấu của mình, các kỳ Đại hội Thể dục Thể thao toàn quốc, đại diện cho Việt Nam tham gia đại hội quốc tế.

Trong thời kỳ lâu dài ở Đà Nẵng, từ năm 2011, Đỗ Thị Thảo quen với Trương Đình Hoàng, võ sĩ Quyền Anh người Buôn Ma Thuột, Đắk Lắk, cũng là vận động viên đội tuyển quốc gia. Hai người cùng tập luyện trong đội tuyển, gắn bó với nhau, từ bạn bè rồi bén duyên.[4] Đỗ Thị Thảo và Trương Đình Hoàng cùng tham gia các kỳ SEA Games 26, SEA Games 27, SEA Games 28, động viên và cổ vũ lẫn nhau. Ngày 10 tháng 06 năm 2015, tại SEA Games 28, hai người cùng giành Huy chương Vàng trong cùng một ngày.[5] Sau kỳ SEA Games 28, cô quyết định nghỉ hưu, kết thúc sự nghiệp thể thao. Ngày 25 tháng 11 năm 2015, Đỗ Thị Thảo và Trương Đình Hoàng tổ chức hôn lễ, hai người được đánh giá là "cặp đôi vàng của thể thao Việt Nam"[6][7] – đều là vận động viên đội tuyển quốc gia với nhiều cống hiến cho thể thao Việt Nam.[8] Trương Đình Hoàng được xem là Nam vương Quyền Anh Việt Nam,[9] còn Đỗ Thị Thảo được gọi là Nữ hoàng cự ly trung bình điền kinh.[1]

Sau khi kết thúc sự nghiệp thể thao, Đỗ Thị Thảo chuyển về sống ở Buôn Ma Thuột, Đắk Lắk, quê hương của Trương Đình Hoàng. Cô quản lý TDH Boxing Club – Câu lạc bộ Boxing và có cuộc sống đời thường.[10]