Han var gift med Randi Blehr, som var kjent som en av sin tids ledende kvinnesaksforkjempere og humanitære ledere. Hun ledet Norsk Kvinnesaksforening i en årrekke og tok initiativ til opprettelsen av avleggeren Norske Kvinners Sanitetsforening. Otto Blehr var selv medstifter av Norsk Kvinnesaksforening i 1884 og ble utnevnt til æresmedlem i 1924. Otto og Randi Blehr var foreldre til Eivind Blehr; han var onkel til Dagny Juel og til arkitekten Bergljot S. Berntsen.