Nguyễn Xiển sinh ra trong một gia đình nghèo có 4 anh chị em ruột, 2 gái, 2 trai. Cụ Nguyễn Thị Lạc là chị cả, đã góp sức nuôi Nguyễn Xiển ăn học cho đến khi về nước. Anh trai của Nguyễn Xiển là Cụ Nguyễn Bành, liệt sĩ trong kháng chiến chống Pháp.[6]

Phu nhân của Nguyễn Xiển là Cụ Nguyễn Thúy An (1907 - 1998), người Hà Nội, nổi tiếng về "Nữ công gia chánh"; mất sau Cụ Ông đúng 100 ngày.

Con trai cả của Nguyễn Xiển là Nguyễn Toán - Giáo sư.

Con rể của Nguyễn Xiển là Nguyễn Hy Hiền (tức Lê Tâm), Giáo sư, Nguyên Ủy viên Ủy ban Khoa học và Kỹ thuật Nhà nước; và Đỗ Quốc Sam (1929-2010), Giáo sư, Nguyên Ủy viên Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam, Bộ trưởng Bộ Kế hoạch và Đầu tư.

Con dâu Nguyễn Xiển là Bà Đặng Kim Chi, Giáo sư, Tiến sĩ; nguyên phó viện trưởng viện KH&CN Môi trường, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Bà là con của Giáo sư Đặng Vũ Hỷ và là cháu ngoại của Thượng thư Phạm Quỳnh.[7]