Ông lập gia đình với bà Nguyễn Thị Tề, nữ sinh trường Sainte Marie ở Hà Nội, là con gái nhà đại điền chủ Nguyễn Hữu Tiệp, người có công chính thành lập trường tiểu học Bạch Hạc - Việt Trì. Ông bà có tám người con: 7 trai và 1 gái, dù sinh ra và lớn lên trong Chiến tranh Việt Nam nhưng 8 người con của ông đều không tham gia vào cuộc chiến và không bị tổn thất. Tất cả đều là giảng viên đại học, bảy con ông có học vị tiến sĩ, trong đó có bốn giáo sư, ba phó giáo sư:[23]

• Người con trai cả là Giáo sư - Tiến sĩ Nguyễn Lân Tuất (đã mất), nguyên Chủ nhiệm khoa lý luận và sáng tác của Nhạc viện Novoxibiec - Nga, Phó Chủ tịch Hội người Việt ở Nga, người Việt đầu tiên được phong tặng Nghệ sĩ Công huân Nga (năm 2001).
• Người con thứ hai là nữ Tiến sĩ Nguyễn Tề Chỉnh (bà đã qua đời), nguyên là giảng viên trường Đại học Sư phạm Hà Nội.
• Người con thứ ba là Giáo sư - Nhà giáo Nhân dân Nguyễn Lân Dũng, Giám đốc Trung tâm vi sinh vật học ứng dụng, đại biểu Quốc hội Việt Nam khóa X, XI, XII, Giảng viên khoa Sinh học trường Đại học Khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, Phó Chủ nhiệm Hội đồng Tư vấn về Khoa học - Giáo dục của Ủy ban Trung ương Mặt trận Tổ quốc Việt Nam
• Người con thứ tư là Phó Giáo sư - Tiến sĩ Nguyễn Lân Cường, chuyên viên cổ nhân học, Viện khảo cổ học Việt Nam, giảng viên khoa Lịch sử trường Đại học Khoa học xã hội và nhân văn - Đại học Quốc gia Hà Nội, Phó Tổng Thư ký Hội Khảo cổ Việt Nam, Phó Chủ tịch Hội Cổ sinh địa tầng Việt Nam, Trưởng ban Kiểm tra Hội Âm nhạc Hà Nội.
• Người con thứ năm là Cử nhân Nguyễn Lân Hùng, Tổng Thư ký Các hội sinh học Việt Nam, giảng viên khoa Sinh học, trường Đại học Sư phạm Hà Nội.
• Người con thứ sáu là Phó Giáo sư - Tiến sĩ Nguyễn Lân Tráng, giảng viên bộ môn Hệ thống điện, khoa Điện, trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
• Người con thứ bảy là Giáo sư - Tiến sĩ - Nhà giáo Nhân dân - Anh hùng lao động (được trao tháng 12/2015) Nguyễn Lân Việt là Giáo sư đầu ngành Tim mạch Việt Nam, nguyên Viện trưởng Viện Tim mạch Việt Nam, Chủ nhiệm Bộ môn Tim mạch - Đại học Y Hà Nội, Chủ tịch Hội Tim mạch Việt Nam, nguyên là Hiệu trưởng trường Đại học Y Hà Nội.
• Người con út là Phó Giáo sư - Tiến sĩ Nguyễn Lân Trung, nguyên Hiệu Phó Đại học Ngoại ngữ - Đại học Quốc gia Hà Nội, nguyên Phó Chủ tịch Liên đoàn bóng đá Việt Nam VFF.