Nat King Cole feleségül vette Maria Ellingtont 1936. december 25-én Chicagóban, karrierje első feltámadásának csúcspontján. 20 évig éltek boldog házasságban, és örökbe fogadtak öt gyermeket; Nat Kelly Cole (1937), Gary Nathaniel Cole (1939), Errol Louis Cole (1941. április), és két lány, Carol "Cookie" Cole (1944) és Maria Cole (1947). Fiuk, Nat Kelly Cole híres énekes, dalszerző és színész lett.
1956. december 28-án Maria Cole 45 éves korában váratlanul meghalt tüdőrákban, így Nat mélyen összetört és összetört. Özvegy volt, amíg feleségül nem vette Maria Hawkins énekesnőt 1965. július 8-án. Együtt maradtak Nat King Cole 1965-ös korai haláláig.
Apasági vita
Az 1990-es években egy Lorna Coles nevű nő jelentkezett, aki azt állította, hogy Nat King Cole lánya egy rövid kapcsolatból, amelyet édesanyjával folytatott 1947-ben. A DNS-vizsgálatok megerősítették, hogy Lorna Coles valóban Nat King Cole biológiai gyermeke.