Sách Đại Nam nhất thống chí của Quốc sử quán triều Nguyễn ghi vợ sau của ông là Trần Thị Chính, con gái của Khám lý Cống Quận Công Trần Đức Hòa. Bà họ Trần không có con. Theo quy định “tam tòng tứ đức” ngày xưa, phụ nữ không có con bị quy vào tội “bất hiếu”, có thể vì lẽ này bà họ Trần không được chép vào gia phả. Vợ đầu là Cao Thị Nguyên, sau khi ông mất thì đi tu năm 1637 mà chùa nay là chùa Bà, Hoài Thanh Tây, Hoài Nhơn, Bình Định. Con cháu Đào Duy Từ hiện nay là hậu duệ của bà vợ Cao Thị Nguyên này. Đào Thị Hưng, người con gái của Đào Duy Từ thì gả cho Nguyễn Hữu Tiến.

Ông có con rể là Nguyễn Hữu Tiến, danh tướng của 3 đời chúa Nguyễn.

Hậu duệ Đào Duy Từ: (1) Nhà Tây Sơn có Đô đốc Mưu (Đào Duy Mưu) từng dẫn quân đánh Tàu trận Đống Đa năm 1789 và (2) Nhà Nguyễn có Thiệu Quang Hầu Đào Duy Mẫn, Hạc Toán Hầu Đào Duy Niệm, Xuân Quang Hầu Đào Duy Tàng phụng sự Chúa Nguyễn Ánh, ngoài ra còn có quan nhất phẩm Thượng thư Bộ Binh- Thượng thư Bộ Hình- người có công phát triển nghệ thuật tuồng Đào Tấn.