• Gia sản của ông bị tịch biên, gia đình ly tán, còn Tôn Thất Thuyết bị treo làm phần thưởng: nếu ai bắt sống được sẽ thưởng 1.000 lượng bạc, nếu chém chết thì cũng được 800 lượng bạc.
• Cha ông là Tôn Thất Đính bị bắt tại Quảng Bình khi đang tìm đường theo vua Hàm Nghi, bị đày đi Côn Đảo và mất ngày 5 tháng 7 năm 1893.
• Mẹ ông là Văn Thị Thu theo hộ giá vua Hàm Nghi đến cùng, nhưng do khí độc rừng rú nên đã chết tại Mường Bò, Hà Tĩnh vào ngày 19 tháng 9 năm 1887.
• Vợ ông là Lê Thị Thanh cũng theo chồng phò vua, bất chấp khó khăn gian khổ và đã chết tại núi rừng Hà Tĩnh vào ngày 26 tháng 9 năm 1885.
• Em ruột là Tham biện Sơn phòng Tôn Thất Lệ đã cầm đầu cánh quân tấn công tòa Khâm sứ đêm 5 tháng 7, sau đó hộ giá vua Hàm Nghi và đã hy sinh trong trận đánh ở Mai Lĩnh, Quảng Trị để bảo vệ cho vua chạy thoát.
• Người em Tôn Thất Hàm, tri huyện Nông Cống cũng đã tích cực tham gia phong trào Cần Vương và đã tuyệt thực chết khi bị bắt đưa vào Đà Nẵng.
• Người con Tôn Thất Tiệp, cùng tuổi với vua Hàm Nghi đã hy sinh thân mình để bảo vệ vua tại núi rừng Tuyên Hóa. (theo gia phả của nhà cụ Tôn Thất Thuyết thì con trai Tôn Thất Tiệp chứ không phải là Thiệp, và Tôn Thất Đàm chứ không phải là Đạm)
• Con trai trưởng Tôn Thất Đàm, trụ cột của "triều đình Hàm Nghi" kháng chiến, đã thắt cổ tự tử khi biết tin vua bị bắt sau khi gửi một bài biểu cho vua Hàm Nghi tạ tội đã không bảo vệ được ngài.
• Con trai Tôn Thất Hoàng bị bắt ở Cam Lộ, Quảng Trị và bị đày lên Lao Bảo, ở đó cho đến chết.
• Con trai thứ chín Tôn Thất Trọng lúc mới 8 tuổi đã bị Pháp bắt cùng với thủ lĩnh nghĩa quân Cần Vương Quảng Bình là Nguyễn Phạm Tuân (tháng 4 năm 1887) và về sau lại hưởng ứng phong trào Đông Du và mất tích ở nước ngoài.
• Cha vợ của Tôn Thất Thuyết là Tán tương Nguyễn Thiện Thuật, thủ lĩnh nghĩa quân Bãi Sậy, chiến đấu đến cùng và khi thất thế đã chạy sang Trung Quốc cùng ông hoạt động.
• Con rể là Hoàng giáp Nguyễn Thượng Hiền cũng tham gia cách mạng. Ông cưới con gái của Tôn Thất Thuyết khi còn chưa đến 20 tuổi, đỗ Hoàng giáp năm 1892, rồi được bổ nhiệm làm việc trong Quốc sử quán. Sau đó ông được cử làm đốc học ở Ninh Bình, rồi Nam Định. Năm 1907, khi Pháp phế truất vua Thành Thái, ông từ quan rồi trốn sang Nhật theo Phan Bội Châu và hoàng thân Cường Để.

Như vậy phần lớn gia đình ông đều hy sinh vì nước: Cha Tôn Thất Đính bị lưu đày, mẹ và vợ ông mất nơi rừng núi, hai em trai ông Tôn Thất Hàm, Tôn Thất Lệ cùng hai con ông là Đàm và Tiệp đều anh dũng hi sinh, mấy người con trai thứ và con rể ông là Hoàng giáp Nguyễn Thượng Hiền cũng bôn ba ở nước ngoài lo chống Pháp.

Gia đình Tôn Thất Thuyết đã được người đời xưng tặng là "Toàn gia yêu nước"