Martens hadde fem barn: to fra hans første ekteskap med Lieve Verschroeven (Kris og Anne) og tre med Ilse Schouteden (Sarah, Sophie og Simon) som han møtte i 1988. Etter fødselen av deres tvillinger i 1997 giftet de seg den 13. november 1998. Ilse Schouteden har en sønn fra hennes tidligere ekteskap. I 2007 skilte han seg med sin andre kone. Den 27. september 2008 giftet han seg med sin eks-elskerinne fra 1970-tallet som het Miet Smet, og som var en tidligere belgisk minister. Dette var hans tredje ekteskap, og hennes første.