ก่อนแต่งงานกับโยลันดาแห่งอารากอน ได้มีการพูดคุยเรื่องการแต่งงานของพระองค์มาแล้วสองครั้งในช่วงวัยรุ่น ครั้งแรกในปี ค.ศ. 1234 กับเจ้าหญิงบล็องช์แห่งนาวาร์ (หรือแห่งช็องปาญ) พระธิดาของพระเจ้าตีโบที่ 1 แห่งนาวาร์[2] ต่อมากับฟีลิปแห่งปงตีเยอ น้องสาวของพระราชินีฌาน พระมารดาเลี้ยง แต่สุดท้ายในปี ค.ศ. 1240 การแต่งงานของพระองค์กับโยลันดาได้บรรลุข้อตกลง

ก่อนแต่งงาน พระองค์มีบุตรนอกสมรสหลายคน ดังนี้

• กับมาริอา อัลฟอนโซ เด เลออน พระปิตุจฉา บุตรสาวนอกสมรสของพระเจ้าอัลฟอนโซที่ 9 แห่งเลออนกับตึเรซา ฌิล ดือ ซูวือรอซา มีบุตรธิดาด้วยกัน คือ
  • เบเรงเกลา อันฟอนโซ (เกิด ค.ศ. 1241) ถูกพระองค์ทำข้อตกลงแต่งงานกับเปโดร นุญเญซ เด กุซมัน แต่เสียชีวิตในวัยเด็กและไม่มีลูกหลาน
• กับเอลบิรา โรดริเกซ เด บิยาดา บุตรสาวของโรดริโก เฟร์นันเดซ เด บิยาดา มีบุตรธิดาด้วยกัน คือ
  • อัลฟอนโซ เฟร์นันเดซ เอล นิญโญ (ค.ศ. 1242–1281) ลอร์ดแห่งโมลินาและเมซาจากการแต่งงานกับบลังกา อัลฟอนโซ เด โมลินา พระปนัดดาของพระเจ้าอัลฟอนโซที่ 9 แห่งเลออน
• กับมายอร์ กิเยน เด กุซมัน บุตรสาวของกิเยน เปเรซ เด กุซมัน กับมาริอา กอนซาเลซ ฆิรอน มีบุตรธิดาด้วยกัน คือ
  • เบอาตริซ (ค.ศ. 1242/1244–1303) สืบทอดตำแหน่งต่อจากมารดาและเป็นพระราชินีแห่งโปรตุเกสจากการแต่งงานกับพระเจ้าอาฟงซูที่ 3 แห่งโปรตุเกส

จากการแต่งงานในวันที่ 26 ธันวาคม ค.ศ. 1246 ในบายาโดลิดกับพระราชินีโยลันดาแห่งอารากอน พระธิดาของพระเจ้าไชเมที่ 1 ผู้พิชิต ทรงมีพระโอรสธิดาด้วยกันหลายคน คือ

• เบเรงเกลา (ค.ศ. 1253–1300) ได้รับการประกาศเป็นทายาทของราชอาณาจักรในปี ค.ศ. 1254 จนกระทั่งเฟร์นันโด พระอนุชาของพระองค์ประสูติ ทรงถูกหมั้นหมายกับหลุยส์แห่งฝรั่งเศส พระโอรสและทายาทของพระเจ้าหลุยส์ที่ 9 แต่ทั้งคู่ไม่ได้แต่งงานกับเพราะเจ้าบ่าวสิ้นพระชนม์ก่อนโตเป็นหนุ่มในปี ค.ศ. 1260 เป็นพระโอรสธิดาคนเดียวของกษัตริย์ที่อยู่ฝั่งพระองค์ในช่วงการก่อกบฏของอินฟันเตซันโช
• เบอาตริซ (ค.ศ. 1254–1280) แต่งงานกับมาร์ควิสกุลเยลโมที่ 7 แห่งมอนแฟร์ราโตในปี ค.ศ. 1271 ในมูร์เซีย
• เฟร์นันโด เด ลา เซร์ดา (ค.ศ. 1255–1275) ทายาทในบัลลังก์กัสติยา แต่งงานในปี ค.ศ. 1269 กับบล็องช์แห่งฝรั่งเศส พระธิดาของพระเจ้าหลุยส์ที่ 9 แห่งฝรั่งเศส ทั้งคู่มีบุตรด้วยกันสองคน การสิ้นพระชนม์ของพระองค์เปิดทางให้ซันโช พระอนุชาได้เป็นกษัตริย์
• เลโอนอร์ (ค.ศ. 1256–1275)
• พระเจ้าซันโชที่ 4 ผู้กล้าหาญ (ค.ศ. 1258–1295) กษัตริย์แห่งกัสติยาหลังพระเจ้าอัลฟอนโซที่ 10 สิ้นพระชนม์
• กอนส์ตันซา (ค.ศ. 1259–1280) แม่ชีในอารามซานตามาริอาลาเรอัลเดลัสอูเอลกัส ร่างของพระองค์ถูกฝังที่นั่น
• เปโดร (ค.ศ. 1260–1283) แต่งงานกับมาร์การิตา เด นาร์โบนา
• ฆวน (ค.ศ. 1262[3]–1319)
• อิซาเบล (ค.ศ. 1263–1264) สิ้นพระชนม์ในวัยเด็ก
• บิโอลันเต (ประสูติ ค.ศ. 1265) แต่งงานกับดิเอโก โลเปซที่ 5 เด อาโร ลอร์ดแห่งบิซกายา
• ไฆเม (ค.ศ. 1267–1284) ลอร์ดแห่งกาเมโรส