Năm 1944, ông kết hôn cùng bà Vi Thị Nguyệt Hồ. Bà từng được xem là một hoa khôi Hà Thành và là cháu nội của Tổng đốc Hà Đông Vi Văn Định. Ông bà có với nhau 3 người con, đều theo ngành y, đó là Tôn Nữ Ngọc Trân, Tôn Nữ Hồng Tâm và người nổi tiếng nhất là cố Phó Giáo sư - Viện sĩ, Bác sĩ Tôn Thất Bách (1946-2004), nguyên Hiệu trưởng Đại học Y Hà Nội.