Trong thời gian hoạt động ở Trung Quốc, ông lập gia đình với bà Hồ Diệc Lan (sinh năm 1920), con gái nhà cách mạng Hồ Học Lãm. Bà được kết nạp vào Đảng Cộng sản Trung Quốc khi còn rất trẻ và sống ở căn cứ địa cách mạng Trung Quốc vô cùng thiếu thốn, nên nhiễm bệnh phổi. Tháng 6 năm 1946, Hồ Diệc Lan cùng mẹ và em gái là Hồ Mộ La được đại diện Chính phủ Việt Nam đón về nước (ông Hồ Học Lãm đã mất tại Trùng Khánh, Trung Quốc năm 1943). Tháng 10 năm sau, do bệnh tình quá nặng, Hồ Diệc Lan đã qua đời tại quê nội (Nam Đàn, Nghệ An) ở tuổi 27. Hai ông bà chưa có con.

Năm 1948, Thiếu tướng Lê Thiết Hùng kết hôn với nữ bác sĩ quân y Nguyễn Tuyết Mai, sinh năm 1924. Bà Tuyết Mai là cựu nữ sinh Trường Đồng Khánh (Hà Nội), giỏi tiếng Pháp, đã tốt nghiệp khoa Sản Trường Đại học Y-Dược Hà Nội. Trước khi nghỉ hưu, bà là Trưởng ban Quân y của Tổng cục Kỹ thuật (Bộ Quốc phòng). Người con gái duy nhất của hai ông bà là Lê Mai Hương (sinh năm 1958), cán bộ của PA27 Công an Hà Nội.

Ông mất năm 1986 tại Hà Nội.

Để vinh danh ông, UBND TP Vinh (tỉnh Nghệ An) lấy tên ông đặt tên cho một con đường tại phường Bến Thủy.