Nacque in una famiglia molto benestante e parte dell'élite borghese britannica: il padre William Edward Nightingale, nato William Edward Shore (1794-1874), fu un pioniere dell'epidemiologia; la madre era Frances "Fanny" Smith (1789-1880), mentre il nonno materno era l'abolizionista William Smith (1756-1835); la nonna paterna, Mary Evans, era la nipote di Peter Nightingale, che costruì la residenza di famiglia.