Gia đình ông có truyền thống yêu nước, ông nội là Đồng Sĩ Thiết, đội trưởng, bị thương trong trận chống quân Pháp đánh chiếm cửa Thuận An. Khi ông bị đày ở Buôn Mê Thuột, mẹ và 2 người em là Đồng Thị Xuân Lan, Đồng Sỹ Hứa, cũng bị bắt giam do trong nhà có thư của một tù chính trị. Bà Lan được tha do mù chữ, còn 2 mẹ con bị tra hỏi ở nhà tù Huế ròng rã cả tháng trời. Bà Lan sau lấy nhà cách mạng Trần Thiếu Du. Đồng Sỹ Hứa (1915-2004) là người lãnh đạo khởi nghĩa ở Tân Đảo (Vanuatu), sau làm ở Ban Quốc tế của Tổng Liên đoàn Lao động Việt Nam, dịch sách, viết văn…; em trai Đồng Sỹ Hiền (1918-2010) bị toà án của thực dân Pháp kết án tử hình (vắng mặt) trong phiên toà ngày 4-8-1948 ở Sài Gòn về các hoạt động cách mạng trong những năm 1944-1945, là Giáo sư, Tiến sĩ khoa học, là một trong những chuyên gia đầu ngành lâm nghiệp. Ông còn một người em trai khác là Đồng Sỹ Hộ, rất thông minh nhưng bị tai nạn mất sớm.

Ông đã có hôn thê ở Huế nhưng chưa kịp làm lễ cưới. Bà chăm sóc ông cho đến khi ông mất và ở vậy suốt đời.