Sinh ra và lớn lên trong gia đình làm nông nghiệp ở huyện Hoằng Hóa (Thanh Hóa), ngay từ những năm học phổ thông, Nguyễn Thị Huyền luôn đạt học sinh giỏi và xuất sắc. Từ năm học lớp 9, Huyền đã là thành viên của đội tuyển thi học sinh giỏi môn toán của trường và đạt nhiều giải thưởng học sinh giỏi toán ở các cấp. Sau khi tốt nghiệp THPT với tấm bằng loại giỏi, Huyền quyết định thi và đỗ vào Học viện Kỹ thuật quân sự (KTQS).

Phẩm chất thông minh và sự chịu thương, chịu khó sớm được Huyền bộc lộ. Hết 8 tháng học tập tại Trường sĩ quan Lục quân 1 theo quy trình đào tạo của Bộ Quốc phòng, Huyền đạt danh hiệu “Chiến sĩ tiên tiến”. Trong  những năm vừa qua tại Học viện, Huyền đều đạt danh hiệu “Chiến sĩ thi đua” cấp cơ sở và học viên giỏi. Với những thành tích xuất sắc trong học tập, năm 2008 Nguyễn Thị Huyền được Trung ương Hội sinh viên Việt Nam trao tặng giải thưởng “Sao tháng Giêng”. Khi được hỏi về “bí quyết” để đạt được những thành tích đó, Huyền cho biết: “Gia đình tôi rất nghèo. Ba tôi cũng là bộ đội và công tác ở xa. Mẹ tôi vất vả quanh năm suốt tháng để lo cho anh em tôi được học tập. Vì thế, tôi muốn học thật giỏi để đền đáp một phần công lao sinh thành và nuôi dưỡng của cha mẹ. Học giỏi cũng là món quà mà mẹ tôi thích nhất sau mỗi năm học khi tôi có dịp về nhà…”.