เนื่องจากบิดา (ธีระ ณ หนองคาย) เป็นนักเปียโน ส่วนมารดา (นัยนา ปุงคานนท์) เป็นนักร้อง จึงทำให้ธีรนัยน์ชอบร้องเพลงและชอบดนตรีมาตั้งแต่เด็ก ครอบครัวของธีรนัยน์ได้สนับสนุนให้เธอเริ่มเรียนเปียโน ขณะกำลังศึกษาอยู่ในระดับมัธยมศึกษาในช่วงสุดสัปดาห์ มารดาก็ได้พาเธอมาเรียนดนตรีในกรุงเทพมหานคร[7] เธอชนะเลิศการแข่งขันเปียโนระดับประเทศของโรงเรียนดนตรีสยามกลการ ในงานยามาฮ่าเปียโนเฟสติวัล 1991 รุ่นกลางในขณะที่อายุได้ 15 ปี และสอบเทียบระดับเกรด 7 จาก Trinity College of Music, ลอนดอน

เสียงร้องเพลงของธีรนัยน์จัดอยู่ในกลุ่มเมซโซ โซปราโน[9] เธอนำพื้นฐานเทคนิคทางการร้องเพลงแบบคลาสสิกมาประยุกต์ใช้ในการร้องเพลงแบบทั่วไป ทำให้มีเสียงร้องเพลงที่มีพลังและสามารถควบคุมการออกเสียงได้ดี[10] จนเป็นเอกลักษณ์ที่เด่นชัดเฉพาะตัว เธอเริ่มเรียนร้องเพลงอย่างจริงจังกับอาจารย์อนุชิต นันทขว้าง เมื่ออายุได้ 15 ปี สอบเทียบวัดระดับเกรด 8 ด้านการร้องเพลงคลาสสิกจากสถาบัน Guildhall School of Music and Drama, ลอนดอน และเกรด 5 ด้านวิชาทฤษฎีดนตรีจาก Trinity College of Music, ลอนดอน[11] ได้เมื่ออายุ 18 ปี จากนั้นได้เริ่มเปลี่ยนจากแนวการร้องเพลงแบบคลาสสิกมาเป็นเพลงจากภาพยนตร์หรือละครเพลง จนกลายเป็นแนวทางการร้องเพลงหลักของเธอในปัจจุบัน

หลังจากเริ่มทำงานด้านการสอนร้องเพลงที่สถาบันดนตรีมีฟ้าก็ได้เรียนเพิ่มเติมกับ อาจารย์ Beth Ellen[11] และอาจารย์สุชีรา อังคไพโรจน์ เพิ่มเติมเป็นระยะๆ[4]