Ông nội Trịnh Xuân Thuận có hai người vợ. Bà lớn cùng gia đình năm 1954 đã di cư vào Nam. Cha ông, Trịnh Xuân Ngạn, từng là chánh án Tối cao Pháp viện Việt Nam Cộng hòa. Người em trai cùng cha khác mẹ là Trịnh Xuân Giới, tiến sĩ sử học, nguyên Hiệu trưởng trường Đoàn Trung ương, nguyên Phó ban Dân vận của Việt Nam Dân chủ Cộng hòa và sau này là Cộng hòa Xã hội Chủ nghĩa Việt Nam.

Con trai ông Giới là Trịnh Xuân Thanh, cán bộ bị truy nã quốc tế và sau đó bị bắt trong vụ án tham ô PVC.[3]