Knut Thommessen var sønn av medisinprofessor Hans Saenger (1880–1942) og Ellen Helle Constance Brun Thommessen Sandvik (1889–1952), og tok etternavnet Thommessen i 1926. Han var gift med Sonja Lie (1917–1975) som var datter til den norsk-amerikanske maleren Jonas Lie (1880–1940). Komponisten Olav Anton Thommessen (født 1946) er deres sønn.