I 1931 ble Payne amerikansk statsborger. På en tur gjennom Europa i 1933 møtte hun russefødt astrofysiker Sergei I. Gaposchkin i Tyskland. Hun hjalp ham med å få visum til USA, og de giftet seg i mars 1934 og bosatte seg i den historiske byen Lexington, Massachusetts, en kort tur fra Harvard. Payne la til ektemannens navn til sitt eget, og Payne-Gaposchkins hadde tre barn: Edward, Katherine og Peter. Datteren til Payne husker henne som "en inspirert syerske, en oppfinnsom strikker og en glupsk leser". Payne og hennes familie var medlemmer av First Unitarian Church i Lexington, hvor Cecilia underviste på søndagsskolen. Hun var også aktiv med Quakers. Hun døde hjemme i Cambridge, Massachusetts, 7. desember 1979. Kort før hennes død fikk Payne selvbiografien trykt som The Dyer's Hand. Den ble senere trykt som Cecilia Payne-Gaposchkin: En selvbiografi og andre erindringer.