علامه و نابغۀ برجسته، ضیاءالدین سید محمدحسین حسینی مرعشی شهرستانی، از نسل سادات حسینی مرعشی، در روز پانزدهم شوال سال ۱۲۵۵ هجری قمری در شهر کرمانشاه چشم به جهان گشود. پدربزرگ او، سید محمدحسین حسینی مرعشی، از علمای برجسته کربلا بود که پس از ازدواج با دختر میرزا محمدمهدی موسوی شهرستانی، فقیه مشهور کربلا، به شهرستانی شهرت یافت. آثار ارزشمند او شامل کتاب‌های جلیس الأبرار (شرح مشکلات اخبار به زبان عربی)، انیس الأخیار (شرح مختصر مشکلات اخبار به فارسی) و معادن التحقیق (در اصول فقه) است.
او دو فرزند داشت: سید محمدتقی (متوفای ۱۳۰۷ قمری) که پدر سید میرزا علی (وفات: ۱۳۵۵ قمری) بود، و دیگری سید محمدعلی. پدر شهرستانی، سید محمدعلی شهرستانی (وفات: ۱۲۸۷ قمری)، نیز از فقهای برجسته و شاگردان سید محمد مجاهد بوده و آثار ارزشمندی همچون الاجماعیات، الکشکول، شرح تبصره، نتیجه الفکر فی الولایة علی البکر، رسائل متعدد در موضوعات فقهی و اصولی، و رساله‌ای در نماز جمعه از خود به یادگار گذاشته است.
از افتخارات او، دریافت اجازۀ اجتهاد از آقا محمود بن آقا محمدعلی کرمانشاهی، نوه وحید بهبهانی، در سال ۱۲۵۷ قمری است. سید محمدعلی شهرستانی همچنین روایت‌هایی از پدر خود، سید محمدحسین شهرستانی، سید محمد مجاهد، حاج شیخ محمدتقی اصفهانی (صاحب کتاب هدایه المسترشدین) و سید محمد قصیر نقل کرده است.
مادر شهرستانی، فاطمه خانم، دختر آقا احمد کرمانشاهی، زنی مؤمن و با تقوا بود. آقا احمد کرمانشاهی نیز با خاندان‌های برجسته‌ای همچون شیخ محمدحسین اصفهانی (صاحب فصول الاصول) و شیخ محمدتقی اصفهانی (صاحب حاشیه بر معالم)، که هر دو از علمای برجسته اصول فقه شیعه بودند، وصلت داشت. با توجه به این روابط خانوادگی واضح می‌شود که سید محمدحسین شهرستانی از طرف پدر به سید محمدحسین شهرستانی داماد میرزا محمدمهدی شهرستانی وصل می‌شود. همچنین از طریق مادری با خاندان شیخ محمدتقی اصفهانی مرتبط است. دایی او، محمدابراهیم کرمانشاهی، نیز عالمی فاضل بود.
خود شهرستانی در بخشی از خاطراتش می‌گوید: زمان تولد من در کرمانشاه، پدرم در سفر بود. دایی‌ام (محمدابراهیم) خبری فرستاد که خداوند فرزندی به شما داده که به شما افتخار می‌کند. می‌گوید: من حسین هستم و پدرم علی و مادرم فاطمه و جدم احمد و خالم ابراهیم. او به این توضیح اضافه می‌کند: برادرم حسن است و فرزندان من علی و زین‌العابدین، و دخترانم سکینه و فاطمه هستند.