Den 16. april 1946 giftet Trygve Bratteli seg med journalist Randi Helene Larssen (1924–2002), som var datter av motstandsmann og redaktør Olav Larssen (1894–1981) og Aslaug Rustad (1892–1987). Sammen ble Trygve og Randi Bratteli foreldre til matematikeren Ola Bratteli (1946–2015), journalisten Tone Bratteli (1948–) og kunstneren Marianne Bratteli (1951–).