ท่านผู้หญิงพูนศุข สมรสกับ นายปรีดี พนมยงค์ ญาติฝ่ายบิดา ดุษฎีบัณฑิตหนุ่มทางกฎหมายจากฝรั่งเศส ซึ่งมีอายุมากกว่า 11 ปีเมื่อปี พ.ศ. 2472 ขณะมีอายุได้ 17 ปี และยังศึกษาอยู่ในชั้นมัธยม 7 ที่โรงเรียนเซนต์โยเซฟคอนแวนต์ หลังจากสมรสได้เพียง 3 ปี ก็เกิดการเปลี่ยนแปลงระบอบการปกครองจากระบอบสมบูรณาญาสิทธิราชย์ มาเป็นระบอบประชาธิปไตย โดยนายปรีดี ผู้เป็นสามีเป็นหนึ่งในผู้ก่อการร่วมด้วย ด้วยเหตุที่เป็นภริยาของผู้ที่เคยเป็นผู้ร่วมก่อการเปลี่ยนแปลงการปกครอง ซึ่งเคยเป็นทั้งนายกรัฐมนตรี ผู้สำเร็จราชการแทนพระองค์ในรัชกาลที่ 8 หัวหน้าขบวนการเสรีไทย รัฐบุรุษอาวุโส ผู้ประศาสน์การมหาวิทยาลัยวิชาธรรมศาสตร์และการเมือง

ท่านมีบุตร-ธิดา กับนายปรีดี พนมยงค์ รวมทั้งหมด 6 คน คือ

• นางสาวลลิตา พนมยงค์
• นายปาล พนมยงค์ สมรสกับ นางเลิศศรี พนมยงค์ (จตุรพฤกษ์)
• นางสาวสุดา พนมยงค์
• นายศุขปรีดา พนมยงค์ สมรสกับ นางจีรวรรณ พนมยงค์ วรดิลก (น้องสาว สุวัฒน์ และ ทวีป วรดิลก)
• นางดุษฎี บุญทัศนกุล สมรสกับ นายชาญ บุญทัศนกุล
• นางวาณี สายประดิษฐ์ สมรสกับ นายสุรพันธ์ สายประดิษฐ์ (บุตรชาย กุหลาบ สายประดิษฐ์ หรือ "ศรีบูรพา")