Han er oppvokst på Leinstrand i Trondheim kommune som sønn av gårdbruker Peder O. Moe (1948–2015) og sykepleier Kari Borten (1950–). Hans morfar er tidligere statsminister Per Borten (1913–2005). Ola Borten Moe giftet seg i 2008 med daværende stortingsrepresentant Anna Ceselie Brustad (1975–), som han har barn med.