NSND Thanh Huyền sinh năm 1942 tại Hà Nội trong một gia đình có truyền thống nghệ thuật. Bà được thừa hưởng vẻ ngoài và giọng hát trời phú từ mẹ ruột - một nghệ sĩ cải lương nổi tiếng.

Tuy nhiên, theo NSND Thanh Huyền từng kể thì bố mới là người đưa bà tới con đường âm nhạc. Bố NSND Thanh Huyền đã đưa bà đến học ký xướng âm, thanh nhạc ở ông thầy Đặng Hồng.

Bà từng giành Giải nhất về hát đơn ca Thiếu nhi toàn thành phố Hà Nội. Sau này, bà theo học khoa Thanh nhạc của Trường Âm nhạc Việt Nam nay là Nhạc viện Hà Nội.

Sau khi tốt nghiệp, NSND Thanh Huyền công tác tại Nhà hát múa nhạc Việt Nam. Tuy nhiên tên tuổi bà được cả nước biết đến lại nhờ các ca khúc bà hát được phát trên Đài tiếng nói Việt Nam. Bà được coi là ngôi sao trên sóng phát thanh thời kỳ khoảng những năm 1960 đến 1980.

Bà thành công với những ca khúc dân ca và trữ tình cách mạng như: Bèo dạt mây trôi, Xe chỉ luồn kim, Người ở đừng về, Khi thành phố lên đèn, Mẹ yêu con, Bài ca hy vọng, Lời ca dâng Bác, Trông cây lại nhớ đến Người...

Trong sự nghiệp của mình, NSND Thanh Huyền đã đoạt 3 Huy chương Vàng trong các kỳ Hội diễn chuyên nghiệp toàn quốc. Bà còn được tặng thưởng Huân chương kháng chiến chống Mỹ hạng III, Huân chương Lao động hạng II. Với những thành tựu đạt được vào năm 1984, Thanh Huyền là một trong những nghệ sĩ đầu tiên của Việt Nam được phong tặng danh hiệu nghệ sĩ nhân dân (NSND). Và bà cũng trở thành ca sĩ đầu tiên vinh dự được nhận danh hiệu này.

Về đời tư, NSND Thanh Huyền có cuộc hôn nhân hạnh phúc với cố đạo diễn, NSND Thanh An. Bà thường dành nhiều lời khen khi nhắc đến chồng. Khen ông là người chồng tốt, luôn khuyến khích bà sống lạc quan, suy nghĩ tích cực. Sau khi chồng qua đời, NSND Thanh Huyền rất đau khổ và khóc nhiều đến nỗi bị nặng tai. Từ đó bà cũng sống khép kin hơn.