Ludvig III var sønn av storhertug Ludvig II av Hessen-Darmstadt og Wilhelmine av Baden. Han giftet seg med Mathilde Caroline av Bayern (1813–1862), eldste datter av Ludvig I av Bayern, i München 26. desember 1833. Det ble ikke født noen barn i ekteskapet og storhertugen giftet derfor seg igjen morganatisk i 1868 med baronesse Magdalena von Hochstädten (1846–1917), men heller ikke dette ekteskapet resulterte i noen barn.