Xuân Diệu đã lập gia đình riêng một lần với NSND Bạch Diệp nhưng hai người đã ly dị và họ không có con chung[5]. Sau khi ly dị, ông sống độc thân cho đến lúc mất vào năm 1985.

Xuân Diệu là người cùng quê Hà Tĩnh với Huy Cận (làng Ân Phú, huyện Vũ Quang, tỉnh Hà Tĩnh) nên khi gặp nhau, hai ông đã trở thành đôi bạn thân. Vợ của Huy Cận, bà Ngô Thị Xuân Như là em gái của Xuân Diệu. Quan hệ thân thiết giữa 2 người được một số trang báo lớn đưa tin, nhiều người nghi vấn và cho rằng Xuân Diệu cùng với người bạn thân của ông – Huy Cận là hai nhà thơ đồng tính[6][7][8][9][10]. Huy Cận và Xuân Diệu từng ở chung một nhà nhiều năm. Bài thơ "Tình trai" của Xuân Diệu và "Ngủ chung" của Huy Cận được cho là viết về đề tài đó. Theo hồi ký Cát bụi chân ai của Tô Hoài thì Xuân Diệu từng bị kiểm điểm về việc này[11]. Tuy nhiên, cũng có một số các bài thơ khác của ông lại viết về nhà thơ Hoàng Cát, như bài thơ Em đi là để gửi tặng nhà thơ này.

Con nuôi của ông là Tiến sĩ luật Cù Huy Hà Vũ - con trai nhà thơ Huy Cận, và cũng là cháu ruột của ông (cậu ruột).