Cha của Nguyễn Tấn Dũng là Nguyễn Tấn Thử (hay Nguyễn Tấn Minh) (tức Mười Minh), chính trị viên Tỉnh đội Kiên Giang, hi sinh trong một trận Mỹ ném bom B-52 vào ngày 16 tháng 4 năm 1969, được phong Liệt sỹ.
Thân mẫu ông là bà Nguyễn Thị Hường, từng sống trong căn nhà 1108 đường Nguyễn Trung Trực, Rạch Giá, Kiên Giang, cũng là nơi đặt nhà thờ họ của ông Dũng. Bà Hường mất ngày 30 tháng 11 năm 2017, thọ 93 tuổi.[59]
Ông Dũng còn có một chị gái tên là Hai Tâm.[60][61]
Ông và phu nhân (bà Trần Thanh Kiệm) có ba người con.
Con trai cả của ông tên là Nguyễn Thanh Nghị, sinh năm 1976, lấy bằng tiến sĩ ngành kỹ sư công chánh (xây dựng) ở Đại học George Washington ở Washington,[62] được bổ nhiệm giữ chức thứ trưởng Bộ Xây dựng ngày 11 tháng 11 năm 2011, người được đề cử và bầu làm Ủy viên Dự khuyết Ban Chấp hành Trung ương tại Đại hội Đảng Cộng sản Việt Nam XI, hiện đang là Bí thư Tỉnh ủy Kiên Giang.[63]
Người con thứ hai là con gái, Nguyễn Thanh Phượng (sinh năm 1980) tốt nghiệp Cử nhân Kinh tế tại Đại học Kinh tế quốc dân Hà Nội và Thạc sĩ Quản trị Kinh doanh (MBA) tại Đại học quốc tế tại Geneva, Thụy Sĩ (International University in Geneva).[64] Bà là Chủ tịch Quỹ Đầu tư Bản Việt, doanh nghiệp với số vốn khoảng 55 triệu đô la Mỹ,[65] chủ tịch Chứng khoán Bản Việt từ năm 2007, thành viên HDQT Ngân hàng Bản Việt (từng giữ chức Chủ tịch nhưng đã tạm nghỉ theo chế độ thai sản hồi đầu tháng 5/2013).[66] Bà Phượng kết hôn với ông Nguyễn Bảo Hoàng là một Việt kiều Mỹ năm 2008 và hiện có hai con. Con rể Nguyễn Bảo Hoàng sinh năm 1974 là Tổng giám đốc Quỹ đầu tư IDG Ventures Vietnam, chuyên đầu tư vào các công ty thuộc lĩnh vực tiêu dùng, truyền thông và công nghệ kể từ năm 2004. Ông này là chủ tịch Liên đoàn Bóng rổ Việt Nam, Chủ tịch Học viện thể thao Sài Gòn (SSA)[67], sở hữu chi nhánh MacDonald tại Việt Nam[68].
Con trai út của Thủ tướng Nguyễn Tấn Dũng, tên là Nguyễn Minh Triết, sinh năm 1988[69], từng học A level tại trường St. Michael College (Mỹ), theo học cử nhân về kỹ sư kỹ thuật hàng không ở Đại học Queen Mary của Anh và hoàn tất khóa học thạc sĩ chuyên ngành kỹ sư chế tạo máy tại Anh. Từng công tác tại Ban thanh niên nông thôn - Trung ương Đoàn Thanh niên Cộng sản Hồ Chí Minh, Ủy viên Trung ương Đoàn, Giám đốc Trung tâm Hỗ trợ và Phát triển Sinh viên Việt Nam, bí thư tỉnh đoàn Bình Định và Ủy viên ban chấp hành Đảng bộ tỉnh Bình Định, nhiệm kỳ 2013 - 2017[70][71] Tháng 4 năm 2016, Nguyễn Minh Triết đã làm đám cưới với cô Đồng Thanh Vy, người từng đoạt giải Á hậu Đông Nam Á.[72] Ngay sau lễ cưới, Nguyễn Minh Triết nhận được quyết định bổ nhiệm làm Trưởng ban Thanh niên Trường học, Trung ương Đoàn tại Hà Nội[73], nơi Đồng Thanh Vy đang theo học trường Cao đẳng Kế toán Hà Nội.[74]
