Năm 1949, ông kết duyên với bà Đinh Thị Hồng Loan là con của một nhà Nho yêu nước ở làng Vân Hội, xã Văn Bình, huyện Thường Tín rồi đi theo kháng chiến. Năm 1956 bà mất khi bốn con còn quá nhỏ, con trai đầu 6 tuổi, con gái út 6 tháng, ông nhờ hai bên nội ngoại chăm sóc. Ông tiếp tục học tập, nghiên cứu khoa học, đi theo cuộc kháng chiến và phục vụ kháng chiến ở các trạm hậu phẫu dọc các mặt trận miền Trung. Năm 1965, ông gửi ba con trai cho Đảng và Chính phủ đưa vào trường Thiếu sinh quân nuôi dưỡng. Ba người con trai ông sau này đều trưởng thành trong Quân đội nhân dân Việt Nam: con trai cả là trung tá Nguyễn Văn Trung, cán bộ Học viện Kỹ thuật Quân sự. Con trai thứ hai là Đại tá, bác sĩ, tiến sĩ, viện phó Viện chấn thương chỉnh hình của bệnh viện 108 Nguyễn Văn Tín, vừa là con đẻ, là học trò, vừa là đồng nghiệp của ông. Con trai thứ ba Nguyễn Văn Tuấn là sĩ quan quân đội nhân dân Việt Nam. Con gái út là Nguyễn Ngọc Thanh là giáo viên dạy Văn ở Hà Nội.

Khi ông 84 tuổi, do không thể đi lại bằng máy bay để thăm khám và mổ ghép xương nhân đạo cho các bệnh nhân và nghiên cứu khoa học, ông đã nói rõ nguyện vọng hiến tặng nhà nước Việt Nam toàn bộ đề tài khoa học, tư liệu khoa học, sáng kiến và đúc rút kinh nghiệm, những công trình dang dở, những hiện vật là công cụ để lắp ghép xương trong ngành Y... với con trai Nguyễn Văn Tín, vì Trung tâm này biết sử dụng hiệu quả những tư liệu trên, không để khối lượng lao động khoa học và những tri thức quý giá ấy bó hẹp trong gia đình làm kỷ niệm hay lưu giữ mang tính bảo tàng. Ngày 3/5 /2010, ông Nguyễn Văn Nhân đã trao tặng hơn 10 ngàn tư liệu khoa học cho Trung tâm di sản các nhà khoa học Việt Nam.[cần dẫn nguồn]