Ba tuổi, chị được bố dạy hát và đàn piano. 7 tuổi, chị được mẹ dạy chơi đàn thập lục, tập hát các bài dân ca Việt Nam. 9 tuổi, Thanh Lam học đàn tỳ bà tại Nhạc viện Hà Nội (nay là Học viện Âm nhạc Quốc gia Việt Nam), đồng thời tham gia ca hát trong đội Chim sơn ca của Đài Tiếng nói Việt Nam và đội Họa Mi ở Cung Văn hóa Thiếu nhi Hà Nội.
