Phạm Đồng Điện lập gia đình năm 1961 với bà Lê Thị Minh Châu, bà Châu kém ông 13 tuổi, từng làm y tá trong Đội điều trị II, Cục Quân y và trường Sĩ quan Pháo binh.

Năm 1962, ông bà có với nhau người con gái là Phạm Thị Lê Minh.

Em trai ông là PGS.TS.NGND Phạm Quý Tư, nguyên hiệu trưởng Trường Đại học Sư phạm Hà Nội

Em trai út của ông là GS.TS.Phạm Văn Thiêm, nguyên Giám đốc trung tâm Giáo dục & Phát triển Sắc ký, Đại học Bách Khoa Hà Nội.