Han var sønn av Cecilie Fearnley (1878–1902, se Fearnley (slekt)) og oberst Ebbe Carsten Morten Astrup (1876–1955, se Astrup-slekten). Nils E. Astrup ble i 1925 gift med Hedvige Stang (1904–1978, se Stang (slekt)), datter av skipsreder Jørgen Breder Stang. De fikk fire sønner som gikk inn i firmaet.