Ông lập gia đình với Nguyễn Thị Minh Khai, một nữ đồng chí cùng học tại Đại học Phương Đông. Hai người có chung một người con gái tên Lê Nguyễn Hồng Minh.[7]

Trước khi gặp Nguyễn Thị Minh Khai, Lê Hồng Phong đã từng lập gia đình. Tuy nhiên, do Lê Hồng Phong đã thoát ly quê hương đi hoạt động từ lâu nên vợ Lê Hồng Phong đã lập gia đình mới.[cần dẫn nguồn]

Ông từng là anh em cọc chèo với Đại tướng Võ Nguyên Giáp (phu nhân Đại tướng – Nguyễn Thị Quang Thái là em vợ ông).