Han er gift med Ri Sol-ju, som er født i siste halvdelen av 1980-årene og kommer fra en partielitefamilie. De begynte å opptre sammen offentlig i 2012. Hun ble i begynnelsen forvekslet med sangerinnen Hyon Song-wol, men nordkoreanske myndigheter gikk ut med hennes egentlige navn, «kamerat Ri Sol-ju», og bekreftet at de var gift. Det er påstått at paret giftet seg så tidlig som i 2009, like etter at Kim Jong-il fikk hjerneslag, og at paret fikk en sønn i 2010. Paret har datteren Kim Ju-ae, som trolig ble født i 2012. Sørkoreansk etterretning mener også at Kim Jong-un og Ri Sol-ju fikk et tredje barn i februar 2017, men navn og kjønn er ukjent. Ri Sol-ju har siden 2018 blitt omtalt av myndighetene som Nord-Koreas førstedame.