Karin Stoltenberg var gift med tidligere utenriksminister Thorvald Stoltenberg, og var mor til statsminister Jens Stoltenberg, lege Camilla Stoltenberg og programleder, nå avdøde Nini Stoltenberg. Hun var søster til forsker Marianne Heiberg (1945–2004), oldebarn av ordfører og stortingsrepresentant Johan Moses Møller og sønnedatter av NSB-direktør Eivind Heiberg. Hennes foreldre var Ørnulf Heiberg (1899-1973) og Elisabeth Cecilie Thaulow Petersen (1901–1969). Hun ble bisatt i en borgerlig seremoni ved Vestre gravlund nye kapell i Oslo tirsdag 30. oktober 2012.