Hans foreldre var kapellan Johan Peter Balchen (1783–1827) and Christiane Wilhelmine Gulbrandsen (1789–1819), han giftet seg i 1869 med Benjamine Walgerda Heiberg (1845–1926), dattera til Caspar Cappelen Heiberg (1814–1855) og Emilie Christine Hansine Bjertnæs (1824–1865).