Den 15. februar 1939, giftet han seg med Silvia Elvira Martorell, og de hadde tre barn sammen: Emma Silvia, Martín Arturo og Leandro Hipolito. Sønnen Martín Illia ble valgt til Kongressen i 1995, og hadde dette embetet frem til sin død i 1999. Arturo Illia var medlem av en gruppe radikale militante sammen med sin bror, Italo.