郭履球出身太原郭氏分支华阴郭氏家族。据《新唐书·宰相世系表·华阴郭氏》记载：华阴郭氏亦出自太原。太原郭氏为隋唐中原八大姓族之一。郭履球居京兆郑县，后裔入唐为华州郑县人。

祖父：郭智，北魏历秘书郎、中山太守、郢州刺史。

伯父：郭徽，郭智长子。西魏同州司马，北周洵州刺史，入隋官至太仆卿。

父亲：郭进，郭智次子。

堂兄：郭荣，字长荣。隋右候卫大将军、蒲城郡公。

堂兄：郭弘道，字大宝。隋沧州长史、尚食奉御。入唐，历同州刺史、卫尉卿，封郜国公。