Zetterström var først gift med øyelegen Birgitta Zetterström-Karpe, som var den andre kvinnelige professoren ved Karolinska Institutet, og siden med den tsjekkiskfødte legen Jelena Rennerová, som tidligere hadde vært gift i et proforma-ekteskap med Olof Palme for å unnslippe Tsjekkoslovakia i 1949.