Vợ ông là bà Trần Thị Nguyệt Thu.[17][18] Ông có hai con, con gái là Nguyễn Thị Xuân Trang (sinh năm 1986, kết hôn với Vũ Chí Hùng năm 2009), con trai là Nguyễn Xuân Hiếu.[19]

Ông có anh trai tên Nguyễn Quốc Dũng, sinh năm 1947, nguyên Viện trưởng Viện Kiểm sát nhân dân thành phố Đà Nẵng. Ông có chị gái tên Nguyễn Thị Thuyền (em kế ông Nguyễn Quốc Dũng sinh năm 1952) và một chị gái đầu đi du kích bị địch bắn chết.[20]