Thu Quỳnh xuất thân trong gia đình có truyền thống nghệ thuật khi bố là diễn viên múa và mẹ là diễn viên của Đoàn kịch Quân đội. Cô là chị cả và có em trai tên Cao Sơn sinh năm 1997.
Em trai Thu Quỳnh từng có thời gian học tập tại trường THPT Chuyên Hà Nội - Amsterdam sau đó sang Nhật du học tại trường Đại học Kyushu Nhật Bản - đây là một trong những ngôi trường danh giá đứng thứ 3 tại xứ sở hoa anh đào. Cao Sơn thông minh và giàu tình cảm. Cả hai chị em đều thừa hưởng vẻ ngoài của bố mẹ, nữ diễn viên "Hương vị tình thân" cho rằng em trai chính là "phiên bản nam" hoàn hảo của bản thân.
Thu Quỳnh cùng gia đình sang Nhật dự lễ tốt nghiệp của em trai
Mới đây nhất, trên trang cá nhân, nữ diễn viên "Cuộc chiến không giới tuyến" đăng tải loạt ảnh cùng bố mẹ và con trai đang ở Nhật để chúc mừng em trai tốt nghiệp. "Tốt Nghiệp rồiiiiii! Chúc mừng cậu của Be chính thức kết thúc 6 năm rèn luyện tại Đất nước Mặt trời mọc. Và hành trình mới lại bắt đầu! Chân cứng đá mềm! Thành công nhé Thạc sĩ Nguyễn Cao Sơn! Yêu thương!", Thu Quỳnh nhắn nhủ tới em trai. Dưới phần bình luận, dân mạng gửi nhiều lời chúc tới gia đình nữ diễn viên.
Em trai nữ diễn viên đã tốt nghiệp và nhận bằng Thạc sĩ sau 6 năm vất vả đèn sách nơi xứ người
Thu Quỳnh từng không ít lần thể hiện niềm ngưỡng mộ tới cậu em trai khi cao to, đẹp trai lại học giỏi nhất nhà. Bên cạnh đó, gương mặt của nhóc tỳ nhà Thu Quỳnh cũng được dân mạng nhận xét là giống hệt người cậu của mình trong những bức ảnh chung khung hình.