정도원 삼표그룹 회장의 장녀 정지선씨와 1995년 결혼하였으며 자녀로 1남 2녀를 두고 있다. 정지선씨는 서울대학교 음악대학을 졸업했다.
장인인 정도원 회장은 정몽구 회장과 경복고등학교 선후배 사이로 관계가 돈독한 것으로 알려졌다.
담낭절제를 사유로 병역을 면제받았다.
정의선은 2020년 9월30일 기준으로 현대차 보통주 559만8478주(2.62%), 기아차 보통주 706만1331주(1.74%), 현대모비스 보통주 30만3759주(0.32%)를 보유하고 있다.
현대글로비스 보통주 873만2290주(23.29%), 현대위아 보통주 53만1095주(1.95%), 현대엔지니어링 보통주 89만327주(11.72%), 이노션 보통주 40만 주(2%), 현대오토에버 보통주 201만 주(9.57%), 서림개발 보통주 304만 주(100%) 등을 가지고 있다.
정의선은 2020년 상반기에 보수로 현대차에서 15억7500만 원, 현대모비스에서는 6억800만 원 등 모두 21억8300만 원을 수령했다. 정의선의 보수는 모두 급여로 이뤄졌다. 2019년 현대차에서 보수로 모두 34억200만 원을 받았다. 급여 25억 원, 상여 7억5천만 원, 기타 근로소득 1억5200만 원 등으로 구성됐다.
현대모비스에서는 2019년 보수로 모두 17억8700만 원을 받았다. 2018년 보수보다 약 2.5배 늘었다. 2018년에는 상여금을 하나도 받지 못했지만 2019년 상여금으로 5억1300만 원을 받았기 때문이다. 급여도 2018년 7억3800만 원에서 2019년 12억7400만 원으로 올랐다.
1983년 경복초등학교를 졸업했다.
1986년 구정중학교(현 압구정중학교)를 졸업했다.
1989년 서울 휘문고등학교를 졸업했다.
1993년 고려대학교 경영학과를 졸업했다.
1997년 미국 샌프란시스코대학 경영대학원에서 경영학 석사(MBA) 과정을 마쳤다.
1994년 현대정공(현 현대모비스)에 과장으로 입사했다.
1997년 미국 샌프란치스코대학교 대학원에서 경영학 석사학위를 받은 뒤 일본 이토추상사 뉴욕지사에서 2년 동안 일했다.
1999년 현대차에 구매실장으로 입사했다. 영업지원사업부장도 겸임했다.
2000년 현대차 이사로 승진했다.
2001년 현대차 상무이사로 승진했다.
2002년 전무로 승진하며 현대차 국내영업본부 부본부장을 맡았다. 현대카드 전무이사도 겸임했다.
2003년 부사장으로 승진하며 현대기아차 기획총괄본부 부본부장 겸 기아차 기획실장을 맡았다.
2005년 사장으로 승진하며 기아차 대표이사를 맡았다. 현대차그룹 기획총괄본부 사장과 현대모비스 사장을 겸임했다.
2005년 대한양궁협회 회장으로 선출됐다.
2009년 부회장으로 승진하며 현대차로 자리를 옮겼다.
2009년 아시아양궁연맹 총회에서 아시아양궁협회 회장으로 선출됐다.
2012년 현대제철 품질·경영기획부문 부회장에 선임됐다.
2013년 현대모비스 기획실·IT부문 부회장에 선임됐다.
2018년 9월 현대차그룹 총괄 수석부회장으로 승진했다.
2019년 3월 현대차와 현대모비스의 대표이사에 올랐다. 기아차 사내이사로도 선임됐다.
2020년 10월 현대차그룹 회장으로 선임됐다.
2006년 세계경제포럼에서 윤송이 SK텔레콤 상무, 김주영 한누리법률사무소 변호사, 김연희 베인&컴퍼니코리아 부사장과 함께 40세 이하 차세대 지도자 200명 가운데 한 명으로 선정됐다.
2008년 기아차 사장으로 재직할 때 기아자동차가 대한민국 디자인대상 디자인경영부문 최고상인 대통령표창을 받았다.