สมเด็จพระราชาธิบดีวิลเลม-อเล็กซานเดอร์ทรงเข้าพิธีหมั้นกับสมเด็จพระราชินีแม็กซิมา ธิดาอดีตรัฐมนตรีว่าการกระทรวงเกษตรของประเทศอาร์เจนตินา เมื่อวันที่ 30 มีนาคม ค.ศ. 2001 ทรงเข้าพิธีอภิเษกสมรสในวันที่ 2 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 2002 ทรงได้รับการจดทะเบียนสมรสโดยนายกเทศมนตรีแห่งกรุงอัมสเตอร์ดัมที่ Beurs van Berlage และทรงเข้ารับการประสาทพรที่โบสถ์นิวเวอร์แคร์ก (Nieuwe Kerk) ในกรุงอัมสเตอร์ดัม

สมเด็จพระราชาธิบดีวิลเลม-อเล็กซานเดอร์และสมเด็จพระราชินีแม็กซิมา มีพระธิดาด้วยกัน 3 พระองค์คือ

1. เจ้าหญิงคาทารีนา-อะมาเลีย เจ้าหญิงแห่งออเรนจ์ พระราชสมภพ 7 ธันวาคม ค.ศ. 2003
2. เจ้าหญิงอะเลกซียาแห่งเนเธอร์แลนด์ ประสูติ 26 มิถุนายน ค.ศ. 2005
3. เจ้าหญิงอารียานแห่งเนเธอร์แลนด์ ประสูติ 10 เมษายน ค.ศ. 2007