Lệ Thu tên thật là Bùi Thị Oanh, sinh ngày 16 tháng 7 năm 1943 tại Hải Phòng, nhưng trải qua thời thơ ấu ở Hà Đông.
Cô đã kể về gia thế của mình: “Cha tôi trước Cách mạng Tháng Tám làm một chức quan nhỏ ở Hải Phòng. Mẹ tôi là vợ lẽ, sống dưới quyền của bà vợ cả, phải chịu đựng đủ điều. Bà bắt mẹ tôi làm đủ thứ việc. Năm 1953, khi mẹ tôi vào Nam, bố tôi nói không đi vì ông tiếc của cải. Năm 1954, một ngày nọ tôi đi học về, mẹ gọi tôi vào và chỉ nói một câu ngắn gọn: “Thầy con mất rồi!”. Ông bị xử tử trong đợt cải cách ruộng đất…".
Lệ Thu đến với nghề ca hát hết sức tình cờ vào năm 1959: trong một lần đến phòng trà Bồng Lai nghe nhạc, được sự khuyến khích của bạn bè, cô đã bước lên sân khấu hát ca khúc “Dang dở” (tức “Tà áo xanh”) của nhạc sĩ Đoàn Chuẩn – Từ Linh.