• Vợ ông là Giáo sư, Tiến sĩ, Thầy thuốc Nhân dân Nguyễn Thu Nhạn, nguyên Giám đốc Bệnh viện Nhi TW, hiện là Chủ tịch Hội Nhi khoa Việt Nam. Hai con trai ông là Nguyễn Mạc Hà và Nguyễn Việt Hùng. [cần dẫn nguồn].

Gia đình ông Tứ có tất cả bảy anh em (sáu trai và một gái), được cha mẹ đặt tên là Thiên, Tứ, Nhân, Nhật, Lương, Đống, Cường, toàn những cái tên hay (Thiên-Tứ, Nhân-Nhật, Lương-Đống-Cường). Và cả thảy 7 anh em đều học cao, đỗ đạt cao: Nhà giáo Nguyễn Đinh Thiên, GS.TS Nguyễn Đình Tứ, Nhà giáo ưu tú Nguyễn Đinh Nhân, PGS TS Nguyễn An Lương, BS Nguyễn Thị Bạch Nhật, TS Nguyễn Cự Đống, GS TSKH Nguyễn Tự Cường.