Palme giftet seg 9. juni 1956 med psykologen Lisbet Beck-Friis. De bosatte seg i et rekkehus i Vällingbyhöjden og fikk tre sønner. Formelt var dette Palmes andre ekteskap; i perioden 1949–52 var han gift med Jelena Rennerova fra Tsjekkoslovakia i et pro forma ekteskap for å gi henne mulighet til å forlate sitt land etter statskuppet i 1948. Palme møtte Rennerova i påsken 1949 i Praha. Borgermesteren i Praha viet dem 21. desember 1949 uten at Palme var til stede i Praha (han befant seg da i London og vielsen skjedde ved korrespondanse). Kort tid etter ble det forbudt for tsjekkoslovaker å forlate landet gjennom ekteskap med utlendinger. Rennerova reiste til Sverige og utdannet seg til lege i Uppsala. Palme og Rennerova flyttet aldri sammen. De skilte seg i 1952. Saken ble kjent i 1969 og skapte da en viss oppstandelse. Rennerova giftet seg senere med barnelegen Rolf Zetterström.