Trần Đăng Khoa có một anh trai là nhà thơ, nhà báo Trần Nhuận Minh – tác giả các tập thơ "Nhà thơ và Hoa cỏ", "Bản xô nát hoang dã", "45 khúc đàn bầu của kẻ vô danh"..., từng là Chủ tịch Hội văn học Nghệ thuật tỉnh Quảng Ninh. Một chị gái là Trần Thị Bình, hiện sống ở quê cùng với thân mẫu của nhà thơ. Ông còn có một người em gái tên là Trần Thị Thuý Giang, hiện làm giáo viên tại thành phố Cẩm Phả, tỉnh Quảng Ninh.