Là chị cả của một gia đình có 3 chị em, bố mẹ đều là công chức nhà nước, quê ở thị trấn Lập Thạch (huyện Lập Thạch, tỉnh Vĩnh Phúc), ngay từ khi còn ngồi trên ghế nhà trường, cô bé Nguyễn Thị Thu Thuỷ đã mơ ước trở thành bác sĩ để chữa bệnh cho người thân và nhiều người dân ở quê. Nuôi ước mơ đó, sau khi tốt nghiệp THPT, Thuỷ đã thi đỗ vào Trường đại học Y khoa Thái Nguyên, được đào tạo bác sĩ đa khoa.
Thủy rất vui vì đã thực hiện được nguyện vọng mà mình hằng mơ ước. Hàng ngày, ngoài giờ học trên lớp, cô nữ sinh có dáng người mảnh mai, duyên dáng lại chăm chỉ đến thư viện nhà trường để đọc sách tìm hiểu những kiến thức chuyên ngành mới về y học hiện đại. Những nỗ lực của thời sinh viên đã giúp Thuỷ tích luỹ được nhiều kiến thức chuyên môn. Sau 5 năm miệt mài học tập, tốt nghiệp với tấm bằng bác sĩ đa khoa loại khá.
Năm 2003 Thuỷ vào làm việc tại Bệnh viện Đa khoa tỉnh. Được về công tác tại một bệnh viện lớn của tỉnh lại được làm bác sĩ điều trị ở khoa Nhi (năm 2005 khoa tách thành khoa Sơ sinh), Thuỷ vừa mừng, vừa lo, vì được giao “điều trị trực tiếp trẻ nguyên đơn sơ sinh”. Đây là đối tượng vừa mới chào đời trong tình trạng thiếu cân, thiếu tháng, suy dinh dưỡng rất nặng “miệng ăn thì có, miệng nói thì không”. Làm thế nào để điều trị thật tốt, đem lại sự sống cho những sinh linh bé bỏng luôn là câu hỏi trăn trở trong thẳm sâu cõi lòng Thuỷ và các thầy thuốc trong khoa? Nhưng chính nơi đây là môi trường công tác tốt để Nguyễn Thị Thu Thuỷ rèn luyện và phát huy những kiến thức học được đào tạo.
Hàng ngày, khoa sơ sinh thường xuyên phải chăm sóc từ 50-60 bệnh nhân tí hon với chế độ điều trị đặc biệt, phần lớn nuôi trong lồng kính có hỗ trợ bằng máy thở. Công việc của Thuỷ là khám, chẩn đoán bệnh, đưa ra phương án điều trị cho y tá, điều dưỡng viên chăm sóc thực hiện. Là bác sĩ trẻ nhưng Thủy luôn ân cần quan tâm thăm hỏi; tận tình hướng dẫn cho các y tá, điều dưỡng viên cách cho trẻ uống thuốc, chăm sóc, vệ sinh hàng ngày cho các cháu; phương pháp sử dụng, điều chỉnh chế độ thở bình, thậm chí cả việc cho ăn, đảm bảo đúng phác đồ điều trị. Với những bệnh nhân mắc bệnh nặng, đòi hỏi cách chăm sóc đặc biệt, Thuỷ luôn tận tình giúp đỡ hướng dẫn người nhà, các bà mẹ chăm sóc trẻ đúng cách, an toàn và khoa học. Vì vậy, người nhà bệnh nhân rất tin yêu, đồng nghiệp trong khoa cảm phục. Mỗi khi có ca bệnh nặng, khó xử lý, Thuỷ lại hỏi kỹ các đồng nghiệp đi trước có kinh nghiệm trong khoa để tìm ra phương án điều trị kịp thời, chính xác, hiệu quả cao. Kỷ niệm đáng nhớ nhất với BS Thuỷ là những ngày đầu mới về khoa, được giao nhiệm vụ điều trị cho cháu Tô Phương Linh, quê ở Hương canh (Bình Xuyên), khi sinh cháu mới được 32 tuần tuổi, suy dinh dưỡng nặng, trọng lượng cơ thể chỉ 1,7kg, rất yếu, chế độ dinh dưỡng cho cháu hàng ngày phải nuôi bằng đường tĩnh mạch rất khó khăn, trong khi đó lại phải điều trị kháng sinh liều cao. Cháu phải được chăm sóc đặc biệt, nếu thầy thuốc thiếu quan tâm sẽ nguy hiểm tới tính mạng. Với sự khéo léo, tận tình và hết lòng yêu thương người bệnh, sau hơn 20 ngày chăm sóc đặc biệt trong lồng kính, cháu Linh đã hồi phục và ra viện trong niềm vui lớn của gia đình và các thầy thuốc trong khoa.
Thành công nối tiếp những thành công chính là nguồn động viên, cổ vũ lớn lao khích lệ bác sĩ Thuỷ tiếp tục phấn đấu vươn lên. Mỗi khi gặp ca bệnh khó, tính mạng người bệnh nguy hiểm, dù trong hoàn cảnh nào, bác sĩ Thuỷ cũng luôn cùng với các y, bác sĩ trong khoa không nản chí, không quản ngại khó khăn, để cứu sống trẻ sơ sinh. Với cử chỉ hoà nhã, vui vẻ, phong cách làm việc khoa học, sáng tạo và luôn hết lòng yêu thương người bệnh, nhiều năm qua Thuỷ được lãnh đạo Bệnh viện tin tưởng và bệnh nhân quý trọng khen ngợi.
Sau một thời gian công tác ở khoa, bác sĩ Thuỷ được bệnh viện cử đi học chuyên khoa I về Nhi. Trở về với công việc thường ngày của một bác sĩ điều trị, công việc căng thẳng do bệnh nhân nhập viện ngày càng tăng (bình quân mỗi ngày có từ 10-20 bệnh nhân), tình trạng bệnh đa dạng, phức tạp song Nguyễn Thu Thuỷ vẫn yên tâm công tác, và có nhiều cống hiến cho khoa. Yêu cầu đối với người bác sĩ khoa sơ sinh phải luôn bình tĩnh, tự tin, cởi mở với người nhà bệnh nhân, nhất là những bà mẹ; đặc biệt phải có chuyên môn vững vàng mới có thể chẩn đoán nhanh, chính xác và có phương án điều trị kịp thời cứu người bệnh khỏi tay tử thần. Với đức tính chăm chỉ, chịu khó lại có trình độ chuyên môn vững vàng, Thuỷ đã cùng các thầy thuốc trong khoa điều trị, cứu sống được nhiều bệnh nhân. Vừa làm, vừa nghiên cứu ứng dụng khoa học, Thuỷ đã cùng một số bác sĩ trong khoa tập trung nghiên cứu đề tài “Đánh giá kết quả điều trị thở sinh pháp” (năm 2006), từ đó đã chỉ ra được phương pháp, hiệu quả của thở sinh pháp đối với trẻ em non yếu. Đề tài được Hội đồng Khoa học của bệnh viện nghiệm thu cho phép triển khai ứng dụng. Năm 2006 Thuỷ cùng bác sĩ Nguyễn Phú Ngọc triển khai Đề tài khoa học cấp cơ sở “Đánh giá kết quả chiếu đèn trong bệnh vàng da tăng Pilirupít tự do” có tác dụng làm rõ nguyên nhân bệnh vàng da ở trẻ sơ sinh và chỉ ra phương pháp điều trị hiệu quả.
Với thành tích trong công tác năm 2007, bác sĩ Thuỷ vinh dự được kết nạp vào Đảng Cộng sản Việt Nam. Năm 2010 một tin vui đến với Thủy, chị được bổ nhiệm Phó Trưởng khoa Sơ Sinh (Bệnh viện Đa khoa tỉnh), nhiều năm liền đạt danh hiệu “Giỏi việc nước, đảm việc nhà”.