Vợ ông là bà Trần Thị Thủy. Bà Trần Thị Thủy có em trai là Trần Mẫn, Chánh án Tòa phúc thẩm Tòa án nhân dân tối cao tại thành phố Đà Nẵng.[2]

Ông Nguyễn Văn Chi và bà Trần Thị Thủy có ba con trai là Nguyễn Xuân Anh, Nguyễn Xuân Ánh và Nguyễn Xuân Ảnh.

Hiện nay con trai lớn là Nguyễn Xuân Anh (sinh năm 1976) đã bị Ban Chấp hành Trung ương Đảng cho thôi Ủy viên Ban Chấp hành Trung ương, và cách chức Bí thư Thành ủy Đà Nẵng[3]. Con trai thứ hai là Nguyễn Xuân Ánh (sinh năm 1979) nguyên Tham tán Đại sứ quán Việt Nam tại Canada. Con út là Nguyễn Xuân Ảnh (sinh năm 1983), Phó Tổng cục trưởng Tổng cục Đường bộ Việt Nam.[4]