Nansen giftet seg 11. august 1889 med konsertsangerinnen Eva Nansen (født Sars). Hun døde 9. desember 1907. Sammen hadde de fem barn. Nansen giftet seg på nytt i 1919 med Sigrun Munthe. Hun var datter av Jenny Bjørnson og Jørgen Flood Sandberg, og hadde tidligere vært gift med Gerhard Munthe.