Nguyễn Huỳnh Ngọc Thư sinh năm 1998 tại một vùng quê ở huyện Thăng Bình, tỉnh Quảng Nam. Hoàn cảnh gia đình Thư không mấy khá giả, ba mẹ cô mở một quán cafe nhỏ ngay tại nhà để mưu sinh, trang trải cuộc sống.

Năm 2013, Thư đỗ thủ khoa đầu vào lớp chuyên Sinh của trường THPT chuyên Nguyễn Bỉnh Khiêm, Quảng Nam. Sau đó, cô bắt đầu tham gia những cuộc thi về Sinh học và đạt nhiều giải thưởng: Giải Nhất học sinh giỏi cấp tỉnh (năm 2014), Huy chương Vàng Olympic các trường chuyên thuộc vùng Duyên hải và đồng bằng Bắc Bộ (năm 2014), Giải Ba học sinh giỏi cấp Quốc gia (2015),…

Đến tháng 9/2021, Ngọc Thư apply thành công học bổng Khoa học Công nghệ đào tạo Thạc sĩ, Tiến sĩ du học nước ngoài của Tập đoàn Vingroup. Nhận được hỗ trợ tài chính từ Học bổng Vingroup, đầu năm 2022, Thư apply và đỗ chương trình Tiến sĩ của 4 trường đại học danh tiếng: Đại học Oxford (Anh), Đại học Cornell (Mỹ), Đại học Sydney và Queensland (Úc). Riêng trường Cornell, Thư xuất sắc nhận mức học bổng lên tới 8 tỷ trong 5 năm học.

Sau cùng, cô gái trẻ quyết định theo học chương trình Tiến sĩ ngành Ung thư học tại Đại học Oxford (Anh).