Nguyễn Thị Minh Khai có cha là ông Nguyễn Huy Bình người Hà Nội mẹ là bà Đậu Thị Thư quê quán tại Hà Tĩnh

Con gái của bà là Lê Nguyễn Hồng Minh, sinh năm 1939, tập kết ra Bắc năm 1954, được đưa sang Trung Quốc học tập, và sau đó sang Liên Xô học đại học ngành cơ khí chế tạo máy. Sau khi ra trường về nước bà chỉ làm công tác nghiên cứu về Đảng Cộng sản Việt Nam. Từ năm 1976 bà công tác tại Ban Tổ chức Thành ủy TP HCM, nghỉ hưu năm 1995[8].

Nguyễn Huy Dung, em trai của bà, là giáo sư, bác sĩ tim mạch, nguyên Phó Giám đốc Bệnh viện Chợ Rẫy thành phố Hồ Chí Minh và đã nghỉ hưu. Ông đã xuất bản 8 tập thơ cùng hàng chục đầu sách về y học và khoa học nhân văn[9].

Nguyễn Thị Quang Thái, em gái của bà, là một nhà hoạt động cách mạng Việt Nam, một trong những thành viên thời đầu và hoạt động xuất sắc trong phong trào Truyền bá Quốc ngữ thập niên 1930. Bà là người vợ đầu của Đại tướng Võ Nguyên Giáp. Bà qua đời ngày 29 tháng 1 năm 1944 tại nhà thương Robin (nay là bệnh viện Bạch Mai).