Nathalie Kosciusko-Morizet ble født i en politisk aktiv familie i Paris. Hennes far François Kosciusko-Morizet er ordfører i Sèvres. Hennes bestefar Jacques Kosciusko-Morizet var motstandsmann under den andre verdenskrig, ambassadør og politiker. En av hennes oldefedre André Morizet var innvalgt i det franske senatet for det franske sosialistpartiet fra 1927 til 1942. Tadeusz Kościuszko var bror til en av hennes forfedre. På morssiden er hun en etterkommer av Lucrezia Borgia.