父水岛三一郎曾是1962年、1964年诺贝尔化学奖候选人，父亲是国会议员。父祖两代皆为东京大学毕业生，父子两人都是医学部出身。水岛昇的祖母是上皇后美智子的姑姑，辈分上水岛昇是上皇后的玄姪孙（日语称谓「玄姪孙」是否与中文称谓「从姪女」相对应？），属于日本皇室的远亲，与德仁天皇、秋篠宫皇嗣亲王具有血缘关系。水岛昇的妹妹是庆应义塾大学医学博士，活跃于政治界。水岛昇曾与东工大教授大隅良典一同入选2013年汤森路透引文桂冠奖。大隅是水岛三一郎的再传弟子，也是水岛昇的博士后老师。
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