Đặng Thai Mai lập gia đình với bà Hồ Thị Toan. Hai ông bà có năm con gái và một con trai, trong đó ba con rể của ông là tướng lĩnh Quân đội nhân dân Việt Nam (Võ Nguyên Giáp, Phạm Hồng Cư và Phạm Hồng Sơn).[3]

• Con gái đầu là Phó Giáo sư, Tiến sĩ Đặng Bích Hà, vợ Đại tướng Võ Nguyên Giáp, Tổng Tư lệnh Quân đội nhân dân Việt Nam.[4]
• Phó Giáo sư, Tiến sĩ Đặng Thị Hạnh, vợ Trung tướng Phạm Hồng Cư, nguyên Cục trưởng Cục Văn hoá, Tổng cục Chính trị Quân đội nhân dân Việt Nam; Phó Tư lệnh, Chủ nhiệm chính trị Quân khu 2, nguyên Phó Chủ nhiệm Tổng cục Chính trị Quân đội nhân dân Việt Nam.
• Giáo sư, Tiến sĩ Đặng Thanh Lê, từng là Giảng viên khoa Ngữ Văn Đại học Sư phạm Hà Nội, vợ của nhà nghiên cứu Ý học, hiệp sĩ danh dự nhà nước Ý, Phó Giáo sư Nguyễn Văn Hoàn.
• Phó Giáo sư, Tiến sĩ Đặng Anh Đào, vợ của cố Trung tướng Phạm Hồng Sơn, nguyên Phó Viện trưởng Viện Chiến lược Quân sự, Bộ Tổng tham mưu Quân đội nhân dân Việt Nam, Phó Viện trưởng Học viện Quân sự cấp cao.[5]
• Con trai ông là Phó Giáo sư, Tiến sĩ, Kiến trúc sư Đặng Thái Hoàng, Giảng viên trường Đại học Xây dựng.
• Con gái út là Phó Giáo sư, Tiến sĩ Đặng Xuyến Như, công tác tại Viện Ứng dụng Công nghệ.