Phu nhân của ông là bà Đặng Dĩnh Siêu, cố Ủy viên Bộ Chính trị Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Trung Quốc khóa XI, XII, Chủ tịch Hội nghị Hiệp thương chính trị nhân dân Trung Quốc từ năm 1983 - 1988, Bí thư thứ hai Ủy ban Kiểm tra - Kỷ luật Trung ương Đảng, Chủ tịch Hội Phụ nữ Trung Quốc.

Mặc dù Chu Ân Lai và Đặng Dĩnh Siêu không có con cái nhưng hai người đã dành rất nhiều tình thương yêu cho những đứa con của các liệt sĩ, như: Tôn Duy Thế (con gái của liệt sĩ Tôn Bính Văn) và Lý My (con gái của liệt sĩ Lý Tiểu Thạch),... Thủ tướng thứ tư của Quốc vụ viện Trung Quốc Lý Bằng cũng là con nuôi của vợ chồng cố Thủ tướng Chu Ân Lai.