Vợ ông là bà Phan Thị Sáng, bí danh là Vũ Thị Khôi, cùng là Đại biểu Quốc hội Việt Nam khóa I. Trước ngày khai mạc Đại hội Quốc dân Tân trào, bà là đại biểu phụ nữ đặc cách dự Hội nghị Trung ương mở rộng. Sau đó bà trở về Bắc Ninh xây dựng chính quyền nhân dân. Năm 2010 bà mất, thọ 91 tuổi.

Ông bà có người con là Đại tá Nguyễn Duy Thành.