Duchovny giftet seg med skuespillerinnen Téa Leoni 6. mai 1997. 24. april 1999 fikk Leoni datteren, Madelaine West Duchovny. Paret sitt andre barn, sønnen Kyd Miller Duchovny, ble født 15. juni 2002. Selv om barnene har navnene Madelaine og Kyd, bruker Duchovny og hans kone å bruke deres mellomnavn. Duchovny-familien bor i Malibu, California.