Diva Mỹ Linh sinh ra trong một gia đình công nhân ở Hà Nội có ba anh em. Bố Mỹ Linh trước kia là giáo viên dạy Văn sau chuyển thành công nhân, thầu xây dựng, ông mất năm 2007 sau một năm bạo bệnh. Mẹ cô là công nhân Xí nghiệp Dược phẩm TW2. Anh trai là kỹ sư về đầu máy diesel, em gái học kinh tế.
Từ khi còn là một cô bé, Mỹ Linh đã để tóc ngắn. Thời đó, chị là một cô bé bụ bẫm với đôi mắt rất đẹp.
Mỹ Linh học cấp 1 và cấp 2 (từ lớp 1 đến lớp 8) tại trường Phổ thông cơ sở Trưng Nhị, quận Hai Bà Trưng, thành phố Hà Nội . Học cấp 3 tại trường Phổ thông trung học Bạch Mai, quận Hai Bà Trưng, thành phố Hà Nội.
Mỹ Linh chia sẻ rằng, từ lúc còn rất nhỏ chị đã thích hát và mẹ là người biết điều ấy rõ nhất. Chính bà là người nuôi dưỡng ước mơ hát của Mỹ Linh.
Bố chị mặc dầu cũng rất yêu ca hát và hát rất hay nhưng lại không đồng tình lắm. Ông luôn sợ Mỹ Linh không tập trung tốt vào việc học và đặt cho cô con gái những điều kiện nho nhỏ. Trong 12 năm, Mỹ Linh luôn làm quản ca của lớp và của trường nơi mình học. Khi còn đi học Mỹ Linh học tương đối khá đã từng 2 lần được đi dự Đại hội học sinh giỏi Thủ đô, được Thủ tướng khen thưởng. Khi còn đi học Mỹ Linh đặc biệt có năng khiếu các môn xã hội như: Văn, Sử và Nhạc .
"Lần đầu tôi bước lên sân khấu khi mới lên 5 tuổi. Khi đó tôi hát bài "Bé bé bằng bông". Lúc còn nhỏ, ngoài ca hát tôi còn hay múa, đóng kịch và kể chuyện. Tôi từng đoạt nhiều giải thưởng cá nhân về ca hát hay thi kể chuyện măng non tại địa phương", Mỹ Linh nhớ lại.
Mỹ Linh cho biết thuở ấu thơ chị đặc biệt thần tượng anh trai và hay nhường nhịn cô em gái. Những ký ức đẹp, những câu chuyện nghịch ngợm, đáng yêu vẫn được Mỹ Linh và em gái trân trọng và nhắc lại mỗi khi gia đình xum họp.
Mỹ Linh với mái tóc "tém" đầy cá tính của những năm cuối thập niên 90, đầu những năm 2000. Năm 1991 , Mỹ Linh dự thi Giọng hát hay PTTH toàn quốc lần thứ 2 và giành huy chương vàng cùng với giải dành cho người hát về thầy cô và mái trường hay nhất.
Năm 1993, Mỹ Linh thi đỗ thủ khoa thanh nhạc Nhạc viện Hà Nội và bắt đầu học tập ở đó 4 năm từ 1993 đến năm 1997, người thầy dạy hát đầu tiên của Mỹ Linh là giảng viên Diệu Thúy.
Mỹ Linh kết hôn với nhạc sĩ Anh Quân năm 1998. Cả hai có với nhau 2 con: Duy Anh và Mỹ Anh. Cả hai con của vợ chồng Diva Mỹ Linh đều bộc lộ năng khiếu âm nhạc và đều đang theo đuổi môn nghệ thuật này.