Þorsteinn Pálsson ble født på Selfoss på Sør-Island, som sønn av økonomen Páll Sigurðsson (1916–) og Ingigerður Nanna Þorsteinsdóttir (1920–1982). Faren var halvbrors sønn av politikeren Svein Guðmundsson. Þorsteinn er gift med Ingibjörg Þórunn Rafnar (1950–), datter av politikeren Jónas G. Rafnar, som han har tre barn med.