Claus Winter Hjelm giftet seg første gang i 1828 med Wilhelmine von Munthe af Morgenstierne, datter av Bredo Henrik von Munthe af Morgenstierne den eldre. De fikk sønnene Otto Winter-Hjelm og Kristian Winterhjelm. Han giftet seg for andre gang i 1869 med Mette Kirstine Svanholm.