Léopold kết hôn với Công chúa Charlotte xứ Wales, nhưng bà đã qua đời khi sinh non đứa con đầu lòng. Léopold sau này tái hôn với Công chúa Louise của Orléans và có với nhau 4 người con:

• Hoàng tử Louis Philippe Léopold Victor Ernest (24 tháng 7 năm 1833 – 16 tháng 5 năm 1834)
• Hoàng tử Léopold Louis Philippe Marie Victor (9 tháng 4 năm 1835 – 17 tháng 12 năm 1909), sau này trở thành Vua Léopold II của Bỉ
• Hoàng tử Philippe Eugène Ferdinand Marie Clément Baudouin Léopold Georges (24 tháng 3 năm 1837 – 17 tháng 11 năm 1905), kết hôn với Công chúa Maria Luise của Hohenzollern-Sigmaringen
• Công chúa Charlotte Amélie Augustine Victoire Clémentine Léopoldine (7 tháng 6 năm 1840 – 19 tháng 1 năm 1927), kết hôn với Vua Maximiliano I của México

Bên cạnh đó, Léopold I còn có hai người con trai với người hầu gái, Arcadie Meyer (nhũ danh Claret) là George và Arthur. George sinh năm 1849, còn Arthur sinh năm 1852. Theo lời yêu cầu của Léopold I, vào năm 1862, hai người con trai của ông đã được cháu trai của ông là Công tước Ernst II của Sachsen-Coburg và Gotha ban cho tước hiệu "Freiherr (tạm dịch Huân tước) von Eppinghoven". Năm 1863, Arcadie cũng được ban cho tước hiệu "Nữ Nam tước von Eppinghoven".[8]