Cha của Hoàng Đạo Thúy là Hoàng Đạo Thành là quan triều đình Nhà Nguyễn[13]. Hai cha con đều được lấy tên đặt cho đường phố Hà Nội. Anh trai của ông là Cử nhân Hoàng Đạo Phương, một thương gia giàu có ở Hà Nội ngày xưa. Chị gái ông là nữ sĩ Hoàng Thị Uyển, tức bà Cả Mọc, Hội trưởng Hội Tế sinh Bắc Việt[14].
Con trai của Hoàng Đạo Thúy là Kiến trúc sư Hoàng Đạo Kính, cháu nội là Kiến trúc sư Hoàng Đạo Cương và Hoàng Đạo Quang
Con trai của ông là Hoàng Đạo Khánh, họa sĩ, chắt nội là Hoàng Đạo Duy hiện đang là Trưởng phòng CSKH ở công ty Máy trợ thính và thiết bị thính học Cát Tường, địa chỉ 134 Chùa Bộc - Đống Đa - Hà Nội
