Cha của ông là cụ Đoàn Cầu, được kết nạp vào Đảng rất sớm và là người Cộng sản đầu tiên của làng Gia Đẳng, xã Triệu Lăng, huyện Hải Lăng, tỉnh Quảng Trị, nay là xã Triệu Lăng, huyện Triệu Phong, tỉnh Quảng Trị. Mẹ của ông là cụ Nguyễn Thị Dương (1902). Hai cụ có tám người con thì 5 người con là Liệt sĩ, cụ bà được nhà nước Việt Nam phong tặng danh hiệu Bà mẹ Việt Nam anh hùng đợt 1 năm 1994. Năm người con liệt sĩ là:

1. Đoàn Đình

2. Đoàn Giao

3. Đoàn Ngọc Anh

4. Đoàn Cư

5. Đoàn Thị Tùng

Ông có hai người em trai là sĩ quan cao cấp của quân đội là Trung tướng Đoàn Chương (nguyên Viện trưởng Viện Chiến lược quân sự) và Đại tá Đoàn Thúy.

Ông có con trai là Đại tá Đoàn Xuân Thắng.