Vợ chính thức của ông là Thuận Từ Quốc Thánh hoàng hậu Lê Thị Thái (順慈國聖皇后黎氏; ? - 1230). Ngoài ra, ông còn một người vợ không chính thức cũng không rõ họ tên, sinh ra Trần Bà Liệt.

Các con trai ông là:

1. Khâm Minh đại vương Trần Liễu, cha của Hưng Đạo đại vương Trần Quốc Tuấn.
2. Trần Cảnh, tức Thái Tông Nguyên Hiếu hoàng đế [太宗元孝皇帝].
3. Khâm Thiên đại vương Trần Nhật Hiệu.
4. Hoài Đức vương Trần Bà Liệt.

Các con gái là:

1. Thụy Bà công chúa (瑞婆公主), chị ruột Trần Thái Tông, cô Trần Quốc Tuấn, nuôi Trần Quốc Tuấn làm con.
2. Thiên Thành công chúa (天城公主). Theo Khâm định Việt sử thông giám cương mục, tuy nhiên điều này có nghi vấn.