Ông kết hôn với Helena Kantakouzene, con gái của vị đồng Hoàng đế Ioannes VI Kantakouzenos và Irene Asanina vào ngày 28 tháng 5 năm 1347. Họ có với nhau chín người con gồm:

• Andronikos IV Palaiologos (2 tháng 4, 1348 – 28 tháng 6, 1385).
• Irene Palaiologina (khoảng 1349 – sau 1362). Kết hôn lần đầu với người anh em họ Halil xứ Bithynia. Chồng cô là một người con trai của Orhan I và em gái của Helena là Theodora Kantakouzene.
• Manuel II Palaiologos (27 tháng 6, 1350 – 21 tháng 7, 1425).
• Theodoros I Palaiologos, Despot xứ Morea (khoảng 1355 – 24 tháng 6, 1407).
• Mikhael Palaiologos (mất 1376/1377). Ông đã thất bại trong việc giành ngôi vị của Đế quốc Trebizond từ Alexios III vào năm 1373, rồi bị ám sát một vài năm sau đó.
• Maria Palaiologina (mất 1376) đã đính hôn với Murad I. Bà mất trước khi hôn lễ được tiến hành.
• Một đứa con gái đã đính hôn với Peter II xứ Cyprus.
• Hai đứa con gái không rõ tên tuổi theo ghi chép thì đã vào tu viện năm 1373.