Den 21. desember 1904 giftet han seg med Tatjana Afanasjeva, og hun bisto han i arbeidet. De fikk to døtre og to sønner: Tatyana ('Tanja' (1905–1984), også matematiker; Galinka ('Galja') (1910–1979), hun ble forfatter og illustratør av barnebøker; Paul, Jr. ('Pavlik') (1915–1939), også fysiker; og Vassily ('Wassik') (1918–1933).