Vợ ông là Trần Thị Bảo người Hà Nội, kém ông 5 tuổi.[24] Trước khi kết hôn vào ngày 19 tháng 8 năm 1949, mối tình của hai người gặp nhiều cản trở và khó khăn. Gia đình nhà bà Trần Thị Bảo có ý định ngăn cản, lí do được cho là không tương xứng với hoàn cảnh xuất thân.[25][26] Trong đám cưới, nhà viết kịch Nguyễn Huy Tưởng và nhạc sĩ Nguyễn Đình Thi đã làm chủ hôn cho họ.[26]

Những năm cuối đời, Nguyễn Đình Phúc và vợ thường sống trong cảnh khốn khó, thậm chí có lúc tất cả số tài sản của bà Bảo chỉ đủ tiền mua một bát phở.[25] Tuy vậy, hai người được đánh giá là sống hòa thuận, không một lần cãi vã. Họ có tất cả 5 người con,[25] trong đó một người con trai là hoạ sĩ Nguyễn Xuân Tiệp.[27] Nguyễn Đình Phúc sống ở phố Hàng Buồm và có lúc ở phố Cầu Gỗ,[3] tuy vậy báo Công an nhân dân cho rằng ông sống trong khu tập thể Văn nghệ sĩ ở Kim Mã, Ba Đình.[25]

Nguyễn Đình Phúc từng là học trò của đại tướng Võ Nguyên Giáp. Ngày 24 tháng 6 năm 1989, Võ Nguyên Giáp cùng phu nhân Đặng Bích Hà và trợ lý đến nhà Nguyễn Đình Phúc mà không báo trước, không dẹp đường, không có hộ tống.[28] Trong cuộc gặp gỡ hôm ấy, sau khi xem bộ sưu tập của ông, đặc biệt là chứng kiến gia cảnh nghèo khó, Võ Nguyên Giáp đã ghi dòng lưu bút tặng người học trò ngay phía sau bức họa chân dung mà Nguyễn Đình Phúc vẽ về ông.[28][29]