Bà từng kết hôn hai lần. Bà kết hôn lần đầu với nhạc công chơi đàn violon Lưu Quang Tuấn. Xuân Quỳnh và Lưu Quang Tuấn có một con trai tên là Lưu Tuấn Anh. Sau khi li hôn chồng, bà vẫn ở chung một tòa nhà với chồng con ở phố Huế, Hà Nội.[3]

Lần thứ hai bà kết hôn với Lưu Quang Vũ (1948–1988) vào năm 1973. Lưu Quang Vũ kém Xuân Quỳnh 6 tuổi, đã li dị vợ là nghệ sĩ ưu tú Tố Uyên (1948-) vào năm 1972 và có một con trai riêng với Tố Uyên tên là Lưu Minh Vũ. Tháng 2 năm 1975, Lưu Quang Vũ và Xuân Quỳnh có với nhau một con trai đặt tên là Lưu Quỳnh Thơ (tên ở nhà là Mí). Lưu Quỳnh Thơ sau đó mất lúc 13 tuổi cùng với cha mẹ trong vụ tai nạn năm 1988.[4]