Năm 1253, Mikhael VIII Palaiologos kết hôn với Theodora Doukaina Vatatzina, cháu gái của Hoàng đế Nicaea Iohannes III Doukas Vatatzes. Mồ côi từ nhỏ, Theodora đã được nuôi dưỡng bởi ông bác Iohannes III người được cho là có "yêu cô ấy như một cô con gái" và đã sắp xếp cho cô kết hôn với Mikhael. con cái của họ gồm:

• Manuel Palaiologos (1255–1259)
• Irene Palaiologina (1256–1328), kết hôn với Hoàng đế Ivan Asen III of Bulgaria
• Andronikos II Palaiologos (1259–1332)
• Anna Palaiologina (1260–1299/1300), kết hôn với Demetrios/Mikhael Komnenos Doukas, con thứ ba của Mikhael II xứ Epirus
• Konstantinos Palaiologos (1261–1306), kết hôn với Eirene Raoulaina là người chị họ thứ hai của ông
• Eudokia Palaiologina, kết hôn với Hoàng đế Johannes II xứ Trebizond
• Theodoros Palaiologos (1263 – 1310)

Với tình nhân Diplovatatzina, Mikhael VIII còn có thêm hai cô con gái ngoài giá thú:

• Euphrosyne Palaiologina, kết hôn với Nogai Khan của Kim Trướng hãn quốc
• Maria Palaiologina, kết hôn với Abaqa Khan của Ilkhan Ba Tư