Fille de deux anciens gymnastes soviétiques, la médaillée d'or olympique Valeri Liukin - le premier homme à faire un triple backflip - et la championne mondiale gymnaste rythmique Anna Kotchneva, Nastia Liukin est née à Moscou et a déménagé aux États-Unis en tant que jeune enfant.
Elle est fille d'Anna Kotchneva, ancienne gymnaste rythmique, et de Valeri Liukin, un ancien gymnaste artistique.