Julaften 1936 giftet han seg med Liv Coucheron Torp (1916–1969) fra Brevik, en økonomistudent som han hadde møtt kort tid før han ble immatrikulert ved universitetet. Hun var med på Heyerdahls første ekspedisjon til Polynesia i 1937. Før ekteskapet endte i skilsmisse i 1948 fikk de to barn sammen, sønnene Thor Heyerdahl jr. (1938-2024) og Bjørn Heyerdahl (1940-2021).