Thân phụ của Đại tướng Hoàng Văn Thái là cụ Hoàng Văn Thuật (1883 – 13 tháng 5 năm 1945), là một thầy giáo dạy chữ Nho, từng làm Tổng sư của tổng Đại Hoàng, qua đời trong Nạn đói năm Ất Dậu 1945 ở Thái Bình. Thân mẫu là cụ bà Nguyễn Thị Nội (1883 – 20 tháng 2 năm 1964).

Gia đình ông có 8 anh em: Hoàng Văn Cầu (đã hy sinh), Hoàng Văn Thúy (1915 – ?) (do bị cơ quan tình nghi là Việt Nam Quốc Dân Đảng nên ông đã tự tử), Hoàng Văn Xiêm(1917 – 1986), Hoàng Văn Thiệm (1920 – 1995), Hoàng Văn Chiểu (1921 – 2014),[32] Hoàng Thị Hợi (1923 – 2017), Hoàng Thị Dần (1926 – 2008), Hoàng Sĩ Lưu (1930 – 1986).

Vợ và các con

• Người vợ đầu tiên của Đại tướng Hoàng Văn Thái là bà Lương Thị Thanh Bình, người xã Tây An, huyện Tiền Hải, tỉnh Thái Bình, cùng tham gia hoạt động cách mạng với ông tại địa phương từ năm 1939. Ông bà kết hôn vào năm 1939. Giữa năm 1940, ông bị Pháp bắt giữ nhưng nhờ sự giúp đỡ của bà Bình mới trốn thoát được,[33] phải thay tên đổi họ, chuyển lên Bắc Giang hoạt động. Ông bà thất lạc nhau mãi đến đầu năm 1946 mới tìm được thông tin. Về sau, bà Bình làm cán bộ Ban Tổ chức Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam. Ông bà có với nhau 2 người con:

1. Hoàng Minh Diệp (1940), con gái, Thượng tá Quân đội Nhân dân Việt Nam
2. Hoàng Quốc An (1964), con trai, Thượng tá Quân đội Nhân dân Việt Nam

• Người vợ thứ hai của ông là bà Đàm Thị Loan, Trung tá Quân đội Nhân dân Việt Nam. Bà là người dân tộc Tày, một trong ba nữ chiến sĩ đầu tiên của Đội Việt Nam Tuyên truyền Giải phóng quân lúc mới thành lập và cũng là một trong hai người kéo cờ trong Lễ Độc lập tổ chức tại Quảng trường Ba Đình ngày 2 tháng 9 năm 1945. Ông bà lấy nhau vào ngày 15 tháng 9 năm 1945 và sinh được 6 người con:

1. Hoàng Quốc Trinh (1946), con trai, Trung tá Quân đội Nhân dân Việt Nam, cựu giám đốc Công ty Chuyển giao Công nghệ Quốc gia.
2. Hoàng Minh Tuyết (1947), con gái, nguyên giám đốc viện vắc xin, Viện Pasteur.
3. Hoàng Minh Nguyệt (1949), con gái, cựu Phó giám đốc Công ty xây dựng Sandoz - Thụy Sĩ tại Việt Nam; từng làm tại Bộ Ngoại giao Việt Nam, phó giám đốc công ty xi măng Hà Tiên, sở xây dựng thành phố Hồ Chí Minh.[cần dẫn nguồn]
4. Hoàng Minh Châu (1951), con gái, Đại tá Quân đội Nhân dân Việt Nam, Phó Giáo sư, Tiến sĩ, Thầy thuốc nhân dân, cựu phó giám đốc Bệnh viện Trung ương Quân đội 108, một trong những bác sĩ hàng đầu ngành tim mạch của Việt Nam.
5. Hoàng Quốc Hùng (1953), con trai, Đại tá Quân đội Nhân dân Việt Nam, cựu Tổng Giám đốc Công ty xuất nhập khẩu tổng hợp Vạn Xuân, Bộ Quốc phòng.
6. Hoàng Minh Phượng (1954), con gái, Đại úy, Dược sĩ Quân đội Nhân dân Việt Nam, cựu Tổng giám đốc Công ty dược Sandoz – Thụy Sĩ tại Việt Nam.

Công tác và năng khiếu khác

Đại tướng Hoàng Văn Thái từng giữ chức vụ Chủ nhiệm Ủy ban Thể dục Thể thao đầu tiên của Việt Nam từ năm 1960 đến 1965.

Ông còn là một người yêu âm nhạc và là một nhạc công, có tài kéo nhị từ nhỏ. Thời trẻ, ông từng thổi kèn trong ban nhạc lễ và cũng từng sáng tác một số nhạc phẩm tân nhạc mà điển hình là bài hát "Phất cờ nam tiến" sáng tác năm 1944, đêm trước buổi lễ thành lập Đội Việt Nam tuyên truyền giải phóng quân.

Ông thành thạo tiếng Trung, tiếng Pháp, một chút tiếng Nga, tiếng Anh cũng như tiếng dân tộc Tày, Nùng.

Đạo đức lối sống

Đối với thuộc cấp, đồng nghiệp, ông được xem là người có tình có nghĩa, thường xuyên thăm hỏi động viên[cần dẫn nguồn]. Ông cũng được xem là một người rất gắn bó với quê hương. Chính bí danh của ông trong thời gian công tác như An hay Mười Khang (lấy từ làng An Khang, nơi ông sinh ra), Quốc Bình hay Hoàng Văn Thái (lấy từ quê hương Thái Bình) thể hiện rõ điều này.[cần dẫn nguồn]. Đại tướng Võ Nguyên Giáp từng nói về ông như sau: Trong những năm tháng đảm nhiệm những chức vụ quan trọng trong Đảng, trong quân đội, anh Mười Khang vẫn giữ lối sống giản dị: cần – kiệm – liêm – chính, xa lạ với thói xa hoa hình thức, càng xa lạ với tệ tham nhũng, lãng phí… Anh siêng rèn luyện thân thể, lao động chân tay, đến cuối đời vẫn giữ nếp trồng rau, làm vườn như người nông dân xưa ở Tiền Hải quê anh…[cần dẫn nguồn]