Sigismund cưới hai hoàng hậu. Lần đầu tiên, vào ngày 31/5/1592, với Anna of Austria (1573–1598), con gái của Công tước Charles II of Austria (1540–1590) với người vợ Maria Anna of Bavaria (1551–1608). Họ có năm người con:

1. Anne Marie (Polish: Anna Maria; 23/5/1593 – 9/2/1600)
2. Catherine (Polish: Katarzyna; 9/5/1594 – 5/6/1594)
3. Vladislaus (Polish: Władysław; 9/6/1595 – 20/5/1648), cai trị 1632–1648 với tên Władysław IV Vasa của Ba Lan
4. Catherine (Polish: Katarzyna; 27/9/1596 – 11/6/1597)
5. Christopher (Polish: Krzysztof; 10/2/ 1598)

Lần thứ hai, vào 11/12/1605, với người chị của hoàng hậu, Constance of Austria (1588–1631). Họ có bảy người con:

1. John Casimir (Polish: Jan Kazimierz; 25/12/1607 – 14/1/1608)
2. John Casimir (Polish: Jan Kazimierz; 22/3/1609 – 1672), cai trị 1648–1668 với hiệu John II Casimir Vasa của Ba Lan
3. John Albert (Polish: Jan Albert/Olbracht; 25/5/1612 – 22/12/1634)
4. Charles Ferdinand (Polish: Karol Ferdynand; 13/10/1613 – 9/5/1655)
5. Alexander Charles (Polish: Aleksander Karol; 4/11/1614 – 19/11/1634)
6. Anna Constance (Polish: Anna Konstancja; 26/1/1616 – 24/5/1616)
7. Anna Catherine Constance (Polish: Anna Katarzyna Konstancja; 7/8/1619 – 8/10/1651) là vợ đầu của tuyển hầu Palatine Philip William