Theo thông tin từ em trai Hoa hậu, cô qua đời vào 4h30 sáng ngày 5/6/2021 do đột quỵ.
Trước đó, sức khỏe của Thu Thủy vẫn tốt và không có dấu hiệu bất thường.
Cũng theo thông tin từ phía gia đình, Lễ viếng sẽ được diễn ra vào hồi 10h45 ngày 8/6/2021 tại nhà tang lễ Quốc Gia số 5 Trần Thánh Tông, Hà Nội. Lễ truy điệu và đưa tang vào hồi 11h45 ngày 8/6/2021. Hoả táng tại Nghĩa Trang Hoàn Vũ, an táng tại quê nhà.
Ngay khi nhận được thông tin Hoa hậu Thu Thuỷ qua đời, đông đảo bạn bè và nghệ sĩ Việt đã bày tỏ sự bàng hoàng và xót xa, đồng thời gửi lời chia buồn tới gia đình của Hoa hậu Thu Thủy.