王光美父亲王治昌共有11名子女。王光美有六位哥哥，四位妹妹。其中大哥、二哥早逝，史料不多。三哥王光超为无党派皮肤科专家，抗战时曾向华北根据地输送药品，建国后负责干部保健工作。

四哥王士光（原名王光杰）1938年5月入党，是王家兄妹中第一位共产党员，《永不消逝的电波》主角原型之一。清华读书期间参加一二·九爱国学生运动；抗战时期在天津搭建秘密电台，保持和延安情报联络；建国后历任第四机械工业部副部长、电子工业部总工程师。五哥王光复是国民党党员，民国空军王牌飞行员。抗战期间参加武汉空战，共击落8.5架日军战机，是全国知名抗日空战英雄；抗战后，升任国民党空军总部作战处处长；随国民党败退台湾，供职于台湾空军系统，晚年定居美国。六哥王光英是无党派人士，知名实业家，曾任全国人大常委会副委员长、全国政协副主席。

王光美和四位妹妹王光中、王光正、王光和、王光平，均在1949年以前加入中共，四位妹妹分别深耕学前教育、妇科、颌面外科及卫生行政领域。