Em gái Lưu Quang Vũ là Lưu Khánh Thơ hiện đang công tác tại tòa soạn Tạp chí Nghiên cứu Văn học của Viện Văn học. Em trai là Lưu Quang Hiệp, từng là hiệu trưởng Trường Đại học Thể dục Thể thao 1.[3]

Lưu Quang Vũ kết hôn 2 lần, lần thứ nhất với diễn viên điện ảnh Tố Uyên năm 1969. Tố Uyên sinh năm 1948.[4] Hai người li hôn năm 1972 vì Lưu Quang Vũ ngoại tình. Lưu Quang Vũ và Tố Uyên có một con trai tên là Lưu Minh Vũ, hiện đang là người dẫn chương trình của Đài Truyền hình Việt Nam.

Lần thứ hai, ông lại tái hôn với nữ nhân tình Xuân Quỳnh (1942-1988, tên thật Nguyễn Thị Xuân Quỳnh) năm 1973. Xuân Quỳnh hơn Lưu Quang Vũ 6 tuổi, đã từng kết hôn và có một con riêng. Tháng 2 năm 1975, họ có với nhau một con trai đặt tên là Lưu Quỳnh Thơ. Lưu Quỳnh Thơ sau đó mất lúc 13 tuổi cùng với cha mẹ trong vụ tai nạn năm 1988.[5]