จอมพลถนอม กิตติขจรสมรสกับท่านผู้หญิงจงกล กิตติขจร (สกุลเดิม ถนัดรบ บุตรีของ พันเอกหลวงจบกระบวนยุทธ์ (แช่ม ถนัดรบ) และ คุณหญิงเครือวัลย์ จบกระบวนยุทธ์) มีบุตรธิดาทั้งสิ้น 6 คน ได้แก่

• นาง นงนาถ เพ็ญชาติ (พ.ศ. 2474-ปัจจุบัน)
• พันเอก ณรงค์ กิตติขจร (พ.ศ. 2476-ปัจจุบัน) สมรสกับคุณสุภาพร (จารุเสถียร) กิตติขจร มีบุตรเป็นทหาร 2 คน พลเอก เกริกเกียรติ กิตติขจร กับ พลตรี กิจก้อง กิตติขจร
• คุณหญิง นงนุช จิรพงศ์ สมรสกับ พล.อ.เอื้อม จิรพงศ์ มีบุตรชื่อ อนุสร จิรพงศ์ เป็นสมาชิกสภาขับเคลื่อนการปฏิรูปประเทศ
• พลอากาศเอก ยุทธพงศ์ กิตติขจร
• คุณหญิง ทรงสุดา ยอดมณี (พ.ศ. 2487-ปัจจุบัน) สมรสกับ ร้อยโท ดร.สุวิทย์ ยอดมณี มีบุตรชายคือ ดร. ก้องศักดิ์ ยอดมณี ผู้ว่าการ การกีฬาแห่งประเทศไทย
• คุณหญิง ทรงสมร คชเสนี (พ.ศ. 2489-ปัจจุบัน) สมรสกับ พลเรือเอก สุภา คชเสนี

นอกจากนี้ยังรับหลานอีก 2 คน ซึ่งเป็นบุตรของน้องสาวของท่านผู้หญิงจงกลมาเลี้ยงดูดุจลูกแท้ๆ ของท่านเอง คือ

• พลตำรวจตรี นเรศ คุณวัฒน์
• นาย นรา คุณวัฒน์