Năm 19 tuổi, Mai Châu kết hôn với Vũ Kỳ Lân, người thay Nguyễn Tuân trong vai trò trưởng đoàn kịch và là cháu ruột của lưỡng quốc tướng quân Nguyễn Sơn. Về sau, Vũ Kỳ Lân trở thành Chính ủy Bộ chỉ huy quân sự đặc khu Vĩnh Linh với quân hàm Đại tá và là đồng tác giả của tác phẩm "Ký sự miền đất lửa".[10][11] Hai người có với nhau tất cả 4 người con, hai con trai và hai con gái. Con trai thứ hai của bà là Vũ Quốc Khánh, hay còn được biết đến là nhà báo Vũ Khánh, sinh năm 1954. Sau khi Vũ Khánh tốt nghiệp ở Đức và trở về nước vào năm 1979, anh lần lượt đảm nhiệm các chức vụ Tổng biên tập Báo ảnh Việt Nam (2001), Giám đốc Nhà xuất bản Thông tấn.[12] Năm 2009, anh trở thành Chủ tịch Hội Nghệ sĩ Nhiếp ảnh Việt Nam,[13] và đảm nhiệm chức vụ này cho đến năm 2020.[14][15] Cả 4 người con của nghệ sĩ Mai Châu đều không đi theo con đường nghệ thuật của mẹ, nhưng bà có người con rể út là đạo diễn Nguyễn Đức Việt.