Võ Văn Kiệt có hai đời vợ.

Người vợ đầu của ông, bà Trần Kim Anh, con thứ sáu của một điền chủ, lấy nhau lúc bà 17, ông Kiệt 27 tuổi.[25] Bà có với ông 4 người con: Phan Chí Dũng (sinh năm 1951), Phan Hiếu Dân (sinh năm 1955), Phan Thị Ánh Hồng (sinh năm 1958) và Phan Chí Tâm (sinh năm 1966).[26] Năm 1966, bà cùng hai người con út, một trai một gái, đã thiệt mạng khi quân đội Hoa Kỳ bắn chìm tàu Thuận Phong trong một cuộc càn quét qua chiến khu Củ Chi.[27] Võ Văn Kiệt đã muốn khi chết, tro của mình được rải xuống khúc sông mà hai người con và người vợ của mình đã mãi nằm lại đó. Phan Chí Dũng, người con cả của ông, hy sinh ngày 29 tháng 4 năm 1972 tại Sóc Trăng trong một lần đi trinh sát. Ngoài 4 người con với người vợ đầu, ông còn một người con sinh năm 1952 ở miền Bắc tên là Phan Thanh Nam sinh ngày 25 tháng 2 năm 1952,[28] người đã thay mặt gia đình đọc lời cảm tạ trong lễ tang ông. Mẹ của Nam là bà Hồ Thị Minh, chủ bút đầu tiên của tờ Phụ nữ cứu quốc Nam Bộ.

Người vợ thứ hai của ông (lấy nhau năm 1984) là Giáo sư, Tiến sĩ Hóa học Phan Lương Cầm, giảng viên Đại học Bách khoa Hà Nội, từng được trao tặng Giải thưởng Kovalevskaia, giải thưởng cao nhất dành cho các nhà khoa học nữ Việt Nam.[29][30]