浙江宁波，于香港土生土长。沈旭晖为家中独子，父母分别支持泛民主派与建制派，父亲沈俊明退休前曾任香港大学电机电子工程系教授，外祖父为民国时期《大公报》总编辑张季鸾家族后人，出任该报高层掌管财务，母亲亦继承传统为《大公报》工作。国立台湾大学历史学系教授兼台湾独立运动人士张忠栋、台商张忠本是沈旭晖的舅公。沈旭晖于2013年12月1日与吴凯霖结婚，在香港中文大学行礼，在香港会议展览中心设宴。婚礼被喻为世纪婚礼，时任香港行政长官梁振英、时任政务司司长林郑月娥、时任财政司司长曾俊华、前律政司司长黄仁龙等均有出席。婚