Về đời tư, Huy Cận có hai người vợ. Người vợ đầu của ông là bà Ngô Xuân Như, em gái của nhà thơ Xuân Diệu, từng công tác tại Ban Kiểm tra 12, Phủ Thủ tướng, Bác sĩ Viện Y học cổ truyền Việt Nam đã mất năm 2009. Người vợ thứ là bà Trần Lệ Thu, cán bộ giảng dạy Nga văn ở một trường Đại học lớn tại Hà Nội. Huy Cận và Xuân Diệu là 2 nhà thơ lớn, 2 người bạn lớn, tri kỷ. Xuân Diệu cùng sống với gia đình Huy Cận cho đến hết cuộc đời tại ngôi nhà số 24 đường Cột Cờ (đường Điện Biên Phủ), Hà Nội.

Ông có bốn người con, hai con trai và hai con gái. Con trai cả của ông là tiến sĩ luật Cù Huy Hà Vũ (với Ngô Xuân Như, em gái của Xuân Diệu), người bị công an Việt Nam bắt năm 2011 vì tội Tuyên truyền chống Nhà nước Cộng hòa Xã hội chủ nghĩa Việt Nam theo điều 88 Bộ luật hình sự, bị tuyên án 7 năm tù, 3 năm quản chế. Em trai ông là tiến sĩ triết học - mĩ học Cù Huy Chử, từng công tác tại Ban Tuyên huấn Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam.