Phạm Văn Đồng có vợ là bà Phạm Thị Cúc và một người con trai duy nhất tên là Phạm Sơn Dương, hiện là thiếu tướng Quân đội Nhân dân Việt Nam, phó giám đốc Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự. Sau khi lấy bà Cúc (tháng 10 năm 1946) Phạm Văn Đồng vào công tác trong liên khu 5. Mấy năm sau bà Cúc được phép vào Nam sống với chồng. Vào đến nơi thì Phạm Văn Đồng lại được lệnh ra Bắc. Sau đó bà Cúc bị bệnh "nửa quên nửa nhớ" (theo lời của Việt Phương, người từng làm thư ký cho Phạm Văn Đồng trong 53 năm) kéo dài cho đến tận bây giờ. Phạm Văn Đồng từng đưa bà Cúc sang Trung Quốc, Liên Xô chữa bệnh nhưng vẫn không khỏi. Phạm Văn Đồng mất trước bà Cúc.