Ngô Phương Lan thuộc dòng dõi danh thần đời Lê, trong gia phả của gia đình có danh thần nhà Lê trung hưng, Thượng thư bộ Hộ kiêm Tế tửu Quốc tử giám Ngô Trí Hòa. Cha cô là ông Ngô Quang Xuân, Phó chủ nhiệm Ủy ban Đối ngoại Quốc hội Việt Nam 2008, nguyên Đại sứ Việt Nam tại Thụy Sĩ, Trưởng phái đoàn đại diện thường trực Việt Nam tại Liên Hợp Quốc, Tổ chức thương mại thế giới (WTO), Phó chủ tịch Đại hội đồng Liên minh Nghị viện thế giới nhiệm kỳ 2010 – 2011. Cả mẹ cô, bà Lê Thị Hòa cũng làm việc trong ngành ngoại giao. Ảnh hưởng từ bố mẹ nên Ngô Phương Lan nuôi ước mơ trở thành nhà ngoại giao trong tương lai. Ngô Phương Lan là con gái út trong gia đình và còn có chị gái Ngô Thu Hương hơn cô 11 tuổi, là Thạc sĩ Kinh tế tốt nghiệp ở Mỹ.