Charles Frederick kết hôn với Caroline Louise của Hesse-Darmstadt vào ngày 28 tháng 1 năm 1751. Bà là con gái của Louis VIII của Hesse-Darmstadt, sinh ngày 11 tháng 7 năm 1723 và mất ngày 8 tháng 4 năm 1783.

Charles Frederick và Caroline Louise có những người con sau:

• Charles Louis, Hoàng tử cha truyền con nối của Baden (14 tháng 2 năm 1755 - 16 tháng 12 năm 1801); con trai của ông, Charles, kế vị Charles Frederick làm Đại Công tước sau khi ông qua đời vào năm 1811.
• Hoàng tử Frederick của Baden (29 tháng 8 năm 1756 - 28 tháng 5 năm 1817); kết hôn vào ngày 9 tháng 12 năm 1791 với Louise của Nassau-Usingen (16 tháng 8 năm 1776 - 19 tháng 2 năm 1829), con gái của Công tước Frederick của Nassau-Usingen.
• Hoàng tử Louis của Baden (9 tháng 2 năm 1763 - 30 tháng 3 năm 1830); có ba người con ngoài giá thú với Katharina Werner, tạo ra Nữ bá tước của Gondelsheim và Langenstein vào năm 1818. Louis kế vị cháu trai Charles của mình là Louis I, Đại công tước thứ 3 vào năm 1818.
• Con trai (29 tháng 7 năm 1764 - 29 tháng 7 năm 1764).
• Công chúa Louise Auguste của Baden (8 tháng 1 năm 1767 - 11 tháng 1 năm 1767).

Charles Frederick cưới Louise Caroline, Nữ Nam tước Geyer của Geyersberg làm vợ thứ hai vào ngày 24 tháng 11 năm 1787. Cô là con gái của Trung tá Louis Henry Philipp, Nam tước Geyer của Geyersberg và vợ Maximiliana Christiane, Nữ bá tước xứ Sponeck. Cô sinh ngày 26 tháng 5 năm 1768 và mất vào ngày 23 tháng 7 năm 1820. Đây là một cuộc hôn nhân theo kiểu Quý tiện kết hôn, và những đứa trẻ được sinh ra từ cuộc hôn nhân này không đủ điều kiện để kế thừa ngai vàng và tài sản. Louise trao tước vị Nam tước Hochberg vào thời điểm kết hôn của cô ấy và Nữ bá tước Hochberg vào năm 1796; cả hai tước vị này về sau được truyền lại cho các con của bà.

Họ có những đứa con sau:

• Hoàng tử Leopold của Baden (29 tháng 8 năm 1790 - 24 tháng 4 năm 1852); sau đó thành công trong việc kế thừa ngôi vị với tước hiệu Leopold I, Đại công tước Baden. Kết hôn vào ngày 25 tháng 7 năm 1819 tại Karlsruhe với cháu gái cùng cha khác mẹ của mình, Công chúa Sophie của Thụy Điển (21 tháng 5 năm 1801 - 6 tháng 7 năm 1865), con gái lớn của cựu Quốc vương Gustav IV Adolf của Thụy Điển và Frederica của Baden.
• Hoàng tử William của Baden (8 tháng 4 năm 1792 - 11 tháng 10 năm 1859).
• Hoàng tử Frederick Alexander của Baden (10 tháng 6 năm 1793 - 18 tháng 6 năm 1793).
• Công chúa Amalie của Baden (26 tháng 1 năm 1795 - 14 tháng 9 năm 1869); kết hôn vào ngày 19 tháng 4 năm 1818 Charles Egon II của Fürstenberg (28 tháng 10 năm 1796 - 22 tháng 10 năm 1854); con gái của họ, Công chúa Pauline von Fürstenberg, là mẹ của Công chúa Margarethe của Hohenlohe-Öhringen (b. Slawentzitz, 27 tháng 12 năm 1865 - d. Dresden, ngày 13 tháng 6 năm 1940), người vợ thứ hai của Wilhelm, Bá tước Hohenau (bản thân là con trai của Hoàng tử Albert của Phổ
• Hoàng tử Maximilian của Baden (8 tháng 12 năm 1796 - 6 tháng 3 năm 1882).

Đến năm 1817, hậu duệ của Charles Frederick với người vợ đầu tiên của ông đã chết gần hết mà không để lại người kế vị. Để ngăn chặn ngai vàng của Đại công quốc Baden sẽ bị rơi vào tay của người thừa kế tiếp theo là Maximilian I Joseph của Bayern (anh rể của Đại Công tước thứ 3), đương kiêm Đại công tước Charles (cháu nội của vị Đại công tước đầu tiên), đã thay đổi luật kế vị để hợp pháp hoá quyền thừa kế của các hậu duệ của Charles Frederick với người vợ thứ 2, mà trước đo bị xem là không hợp pháp để thừa kế ngai vàng. Vì thế mà các hậu duệ này đã nhận được tước hiệu Hoàng tử và Công chúa của xứ Baden một cách hợp pháp giống như các anh chị cùng cha khác mẹ của mình.

Quyền kế vị của dòng thứ đã được củng cố khi Baden thông qua hiến pháp vào năm 1818, và được Vương quốc Bayern và các cường quốc công nhận trong Hiệp ước Frankfurt, 1819. Con cháu của Leopold cai trị Đại công quốc Baden cho đến năm 1918. Những người tuyên bố quyền thừa kế ngai vàng của Baden hiện nay là hậu duệ của Leopold.[4]

Leopold, con trai cả của cuộc hôn nhân thứ hai, kế vị làm Đại công tước vào năm 1830.