Thyra Boldsen begyndte sin uddannelse til billedhugger hos Gunnar Jensen. I 1903 dimitteredes hun fra Tegne- og Kunstindustriskolen for Kvinder og blev optaget på Kunstakademiet, hvor hun studerede 1903–12, afbrudt af et ophold 1905–06 på École des Beaux-Arts i Paris.

Hun studerede tidligere tiders kunst, ligesom hun fik et indgående kendskab til de forskellige marmorsorter og selve det praktiske stenhuggerarbejde på sine mange rejser til England, Tyskland, Spanien, Nordafrika, Tyrkiet, Italien og Grækenland. Hendes portrætbuster var som regel realistiske, men i øvrigt tilstræbte hun, via en let idealisering, det tidløse.

Størst succes fik Thyra Boldsen i USA, som hun besøgte første gang i 1926. Efter at have rejst frem og tilbage mellem Danmark og USA i nogle år bosatte hun sig fast i Californien i 1931 og forblev dér til sin død i 1968.