Hoàng Thuỷ Nguyên sinh ra trong gia tộc trí thức yêu nước, có nhiều cống hiến cho đất nước. Cha ông là Giáo sư Hoàng Tích Trý, nguyên Bộ trưởng Bộ Y tế đầu tiên của Chính phủ lâm thời Việt Nam. Hơn 200 năm qua, dòng tộc họ Hoàng ở Đông Ngạc có những nhà trí thức, yêu nước nhiệt thành như Hoàng Nguyễn Thự, Hoàng Phạm Thạch (Quan Thượng thư Bộ Lễ),Hoàng Tế Mỹ (Quan Thượng thư Bộ Lễ), Hoàng Tướng Hiệp (Quan Tham tán Quân vụ Đại thần), Hoàng Tăng Bí (một trong số những người sáng lập phong trào Đông Kinh Nghĩa Thục), Hoàng Minh Giám (nguyên Bộ trưởng Bộ Ngoại giao, Bộ trưởng Bộ Văn hoá và Chủ nhiệm Uỷ ban Đối ngoại của Quốc hội khoá VI).Hiện ở Hà Nội, có ba con phố mang tên các nhà trí thức của gia tộc họ Hoàng làng Đông Ngạc: Hoàng Tăng Bí, Hoàng Minh Giám, Hoàng Tích Trý.

Hoàng Thuỷ Nguyên có ba anh em trai, tất cả đều hoạt động trong lĩnh vực y tế. Giáo sư Hoàng Thuỷ Long, Kỹ sư Hoàng Thuỷ Lạc Tổng Giám đốc Tổng công ty Thiết bị y tế Việt Nam, Hoàng Thuỷ Tiến là Phó cục trưởng Cục An toàn Vệ sinh thực phẩm - Bộ Y tế.  Giáo sư Hoàng Thủy Nguyên, Hoàng Thủy Long cũng từng giữ chức Viện trưởng Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương và cả hai là Anh hùng lao động thời đổi mới. Giáo sư Hoàng Tích Mịnh và Hoàng Thủy Nguyên sau này đều được trao tặng Giải thưởng Hồ Chí Minh trong lĩnh vực y - dược.[16]

Bác ruột bên mẹ của Giáo sư Hoàng Thủy Nguyên là cố nhà văn Vũ Ngọc Phan.

Cháu nội ông là Hoàng Diễm Huyền, chuyên gia truyền thông y tế. Cô cũng chính là nhà sản xuất và quản lý dự án Ghen Cô Vy