• Thân phụ: Cụ Nguyễn Xuân Nhiên (1904-1950)[10]
• Thân mẫu: Cụ Đỗ Thị Thảo (1909-2002) [11] (sinh hạ 11 người con, giáo sư Nguyễn Xuân Vinh là con thứ 2 và là trưởng nam)
• Bào tỷ: Nguyễn Thị Bính (đã mất)
• Bào đệ: Nguyễn Xuân Chúc (sinh 1932), Nguyễn Xuân Đăng (đã mất), Nguyễn Xuân Quang (đã mất), Nguyễn Xuân Huy (sinh 1944)
• Bào muội: Nguyễn Thị Bạch Yến, Nguyễn Thị Hoài Thanh (1936-2020), Nguyễn Thị Kim Oanh, Nguyễn Thị Thanh Nga, Nguyễn Thị Minh Nguyệt (đã mất).

Ngoài ra thân phụ ông có người vợ kế là Đỗ Thị Huyền (1920-1998), chính là em ruột của Đỗ Thị Hảo, có với nhau 4 người con: Nguyễn Thị Băng Tâm, Nguyễn Thị Vân Khanh, Nguyễn Thị Sinh và Nguyễn Chí Bảo.