Theodor var sønn av oberst Ole Jacob Broch (1875–1963) og Henriette (Hennie) Broch, født Salvesen. I 1929 giftet han seg med Ellen Broch, født Stub (1900-1950) og fikk datteren Siri Broch (1937- ). Ellen Broch døde av sykdom, og Theodor giftet seg i 1950 med Mathilde Oftedal Broch (1909-1998) og ble stefar til hennes sønn, juristen Lars Oftedal Broch (1939–2017).