Pauling kết hôn với Ava Helen Miller vào năm 1923. Họ sống chung với nhau cho đến tận khi Ava qua đời vào năm 1981. Họ có bốn người con: Linus Carl Jr (sinh năm 1925) trở thành một bác sĩ thần kinh; Peter Jeffress (1931-2003), một nhà tinh thể học; Edward Crellin (1937-1997) là một nhà sinh vật học; và Linda Helen (sinh năm 1932) từng kết hôn nhà địa chất Caltech và nhà băng học Barclay Kamb .

Pauling vốn là thành viên của giáo hội Lutheran, nhưng sau đó gia nhập giáo hội Unitarian Universalist. Tuy nhiên, hai năm trước khi qua đời, trong một cuộc đối thoại với một triết gia Phật giáo Daisaku Ikeda, ông nói rằng mình theo chủ nghĩa vô thần (không đặt niềm tin dựa vào một thần thánh nào).

Ông còn là người ủng hộ thuyết ưu sinh.[8]