Gia đình
Thân phụ: Bác sĩ Trần Văn Đôn (sinh năm 1887), tốt nghiệp tại Đại học Y khoa Bordeaux (Pháp), một trong những đồng sáng lập của Đảng Dân chủ Đông Dương, nguyên Hội trưởng Hội Khuyến học Sài Gòn, Đô trưởng Sài Gòn-Chợ Lớn, Đại sứ Quốc gia Việt Nam tại Ý (1951). 
Thân mẫu từ trần năm 1930.
Bào muội: Gabrielle Antoinette Trần Văn Đôn (sau cải danh theo Quốc tịch Việt Nam là Trần Thị Thu Hương), phu nhân của Trung tướng Lê Văn Kim.
Bào đệ: Claude Trần Văn Đôn, bác sĩ tại Paris, Pháp.
Phu nhân: không rõ
Các con: Trần Văn Đức, Trần Văn Thanh
Đời tư của tướng Đôn nổi tiếng có nhiều giai thoại tình ái, ngoài vợ chính thức thì ông có rất nhiều nhân tình. Nhiều phụ nữ thuộc tầng lớp thượng lưu thời bấy giờ là tình nhân của ông, thậm chí có nghi vấn Đệ Nhất phu nhân Trần Lệ Xuân (vợ của cố vấn tối cao Ngô Đình Nhu) cũng nằm trong số này.