Phạm Kỳ Nam từng có một cuộc hôn nhân với nghệ sĩ piano Nguyễn Phương Nghi và có một người con trai là họa sĩ Phạm Quốc Trung (sinh năm 1958). Về sau Phạm Quốc Trung nối nghiệp cha mẹ bước chân vào con đường nghệ thuật, tham gia sản xuất nhiều bộ phim chiến tranh nổi tiếng như Người đàn bà mộng du, Mùi cỏ cháy. Từng nhận được giải Họa sĩ xuất sắc cùng hàng loạt bộ phim như Trở về, Hà Nội mùa đông năm 46, Đừng đốt (đều của đạo diễn Đặng Nhật Minh), Những người thợ xẻ (đạo diễn Vương Đức), anh được phong danh hiệu Nghệ sĩ ưu tú vào năm 2001 và Nghệ sĩ nhân dân vào năm 2012 – cùng đợt với việc truy tặng danh hiệu này cho đạo diễn Phạm Kỳ Nam.[108]

Năm 1966, sau khi hoàn thành bộ phim Biển lửa, Phạm Kỳ Nam kết hôn cùng diễn viên Thanh Tú kém ông 14 tuổi. Hai người quen nhau từ năm 1964, khoảng 3 năm sau khi Phạm Kỳ Nam chia tay người vợ đầu tiên, và có một người con chung là Phạm Hồng Nhật.[62] Tuy nhiên cuộc hôn nhân này cũng chỉ kéo dài 12 năm và chính thức chấm dứt vào năm 1978 sau khi hai người ly thân một thời gian.[109] Theo lời kể của nghệ sĩ Thanh Tú, lần cuối hai người gặp mặt là vào tháng 2 năm 1984, trước khi bà lên đường vào thành phố Hồ Chí Minh công tác, và một thời gian ngắn trước khi đạo diễn Phạm Kỳ Nam qua đời vì đột tử.[61] Lúc bấy giờ, Hồng Nhật chỉ khoảng 14 tuổi và vừa sang Pháp du học được 1 năm.[62]