Danh ca Thanh Thúy sinh năm 1943 tại Huế trong một gia đình có sáu chị em, trong đó có cha là người gốc Bắc, mẹ là người Huế. Do gia cảnh khó khăn, mẹ bị bệnh hiểm nghèo, cả gia đình phải sống trong một phòng trọ nhỏ.

Cũng bởi vậy, khoảng cuối thập niên 50 của thế kỷ trước, ở tuổi 15, Thanh Thúy đã bắt đầu đi hát. Bà nhanh chóng để lại dấu ấn với những ca khúc dòng nhạc bolero như: Nửa đêm ngoài phố; Mưa nửa đêm; Phố buồn... Bà cũng là một ca sĩ được khán giả đặt cho nhiều biệt danh nhất như: Tiếng hát liêu trai; Tiếng hát lúc 0 giờ; Tiếng hát về khuya... Không chỉ sở hữu chất giọng nữ trầm hiếm hoi trong làng nhạc, bà còn có nhan sắc vượt trội, trở thành người tình trong mộng của nhiều nghệ sĩ thời bấy giờ. Họ đã viết tặng nhiều bài hát tặng bà, có thể kể tới như: Uớt mi; Thúy đã đi rồi; Được tin em lấy chồng...

Năm 1961, bà được phong danh hiệu "Hoa hậu nghệ sĩ" tại phòng trà Anh Vũ - điểm ca hát nổi tiếng ở Sài Gòn trong một sự kiện do bác sĩ Trương Ngọc Hớn tổ chức. Nhà thơ Hoàng Trúc Ly từng ca ngợi nét đẹp của Thanh Thúy qua bài thơ "Sầu ca sĩ": "Từ em tiếng hát lên trời/ Tay xoa vòng tóc tay vời âm thanh/ Sợi buồn chẻ xuống hồn anh/ Lắng nghe da thịt tan tành sau xưa".

Danh ca Thanh Thúy cũng là nàng thơ trong nhiều ca khúc của Trịnh Công Sơn. Ông từng cho biết mình gặp Thanh Thúy năm 1958, khi cùng bạn đến phòng trà Mỹ Cảnh ở Sài Gòn để uống rượu, nghe nhạc. Tình cờ, ông được nghe tiếng hát trầm buồn đầy ấn tượng của một ca sĩ người Huế. Nhạc sĩ viết một mảnh giấy đề nghị Thanh Thúy hát bài "Giọt mưa thu" của Đặng Thế Phong. Bà nhỏ nhẹ cám ơn rồi cất tiếng hát. Vài tháng trước đó, cha bà qua đời, mẹ đang bị lao phổi nặng. Cũng bởi vậy, bà không kiềm chế nổi cảm xúc, vừa hát vừa khóc.

Sau đó, Trịnh Công Sơn nhớ lại những giọt nước mắt của Thanh Thúy, sáng tác ca khúc Ướt mi. Ông viết trong một lần giới thiệu ca khúc: "Những giọt nước mắt ấy như một cơn mưa nhỏ trên tâm hồn mỏng manh của tôi đã khiến tôi phải lùi xa hơn nữa về một cõi đời nào còn xa xôi hơn đã từng làm tôi nhỏ lệ".

Cũng từ đó, Trịnh Công Sơn và Thanh Thuý dần quen biết và gắn bó. Trong một lần đưa nữ ca sĩ về sau đêm diễn, nhìn theo bóng nàng, ông tiếp tục viết nên ca khúc Thương một người: "Thương nụ cười và mái tóc buông lơi/ Mùa thu úa trên môi/ Từng đêm qua ngõ tối...". 

Sau năm 1975, bà sang Mỹ định cư cùng với gia đình. Tại đây, bà tiếp tục thành lập trung tâm đĩa nhạc, ngoài ra cộng tác với một số trung tâm khác, tiếp tục cho ra đời các album nhạc.

Sau năm 2016, bà ít tham gia các hoạt động nghệ thuật, không còn xuất hiện trên các sự kiện âm nhạc lớn. Hiện nay, bà an hưởng tuổi 80 tại Mỹ. Các con bà đều đã trưởng thành, nhưng không có ai đi theo con đường nghệ thuật.