การอภิเษกสมรสครั้งแรก

ในปี ค.ศ. 1219 พระเจ้าเฟร์นันโดอภิเษกสมรสกับเอลีซาเบ็ทแห่งโฮเอินชเตาเฟิน พระธิดาของกษัตริย์เยรมัน พระเจ้าฟิลิปป์ที่ 3 แห่งสวาเบีย กับอีรีเนอ แองเจลินา ในสเปนอลิซาเบธถูกเรียกว่าเบียทริซ ทั้งคู่มีพระโอรสธิดาด้วยกันคือ

1. พระเจ้าอัลฟอนโซที่ 10 แห่งกัสติยา ทายาทของพระองค์
2. ฟาดริเก
3. เฟร์นันโด (ค.ศ. 1225–1243/1248)
4. เอเลนอร์ (ประสูติ ค.ศ. 1227) สิ้นพระชนม์ในวัยเด็ก
5. เบเรงเกลา (ค.ศ. 1228–1288/89) แม่ชีที่ลัสอูเอลกัส
6. เอนริเก
7. เฟลิเป (ค.ศ. 1231–1274) ปฏิญาณตนต่อศาสนจักร แต่ถูกพรากตัวไปโดยความงามของคริสตินาแห่งนอร์เวย์ ซึ่งมุ่งมั่นที่จะเป็นเจ้าสาวของหนึ่งในพี่น้องชายของพระองค์ จึงทรงทิ้งคำปฏิญาณศักดิ์สิทธิ์ไปแต่งงานกับเธอ เธอเสียชีวิตในปี ค.ศ. 1262 โดยไร้ซึ่งทายาท
8. ซันโช อาร์ชบิชอปแห่งโตเลโดและเซบิยา (ค.ศ. 1233–1261)
9. มานูเอลแห่งกัสติยา
10. มาเรีย สิ้นพระชนม์ในวัยทารกในเดือนพฤศจิกายน ค.ศ. 1235

การอภิเษกสมรสครั้งที่สอง

หลังเป็นม่าย ทรงอภิเษกสมรสใหม่กับฌาน เคาน์เตสแห่งปงตีเยอ ก่อนเดือนสิงหาคม ค.ศ. 1237 ทั้งคู่มีพระโอรสด้วยกันสี่คนกับพระธิดาหนึ่งคน คือ

1. เฟร์นันโด (ค.ศ. 1239–1260) เคานต์แห่งโอมาล
2. เลโอนอร์ (ค.ศ. 1241–1290) อภิเษกสมรสกับพระเจ้าเอ็ดเวิร์ดที่ 1 แห่งอังกฤษ ทั้งคู่มีพระโอรสธิดาด้วยกัน 16 คน หนึ่งในนั้นคืออนาคตพระเจ้าเอ็ดเวิร์ดที่ 2 แห่งอังกฤษ และพระมหากษัตริย์อังกฤษทุกคนถัดจากพระเจ้าเอ็ดเวิร์ดที่ 1 เป็นลูกหลานของพระเจ้าเฟร์นันโดที่ 3
3. ลูอิส (ค.ศ. 1243–1269)
4. ซิมง (ค.ศ. 1244) สิ้นพระชนม์ในวัยเด็กและถูกฝังในอารามในโตเลโด
5. ฆวน (ค.ศ. 1245) สิ้นพระชนม์ในวัยเด็กและถูกฝังในอาสนวิหารกอร์โดบา