สมเด็จเจ้าฟ้าฯ กรมพระราชวังบวรสถานพิมุข เษกสมรสกับพระชายาทองอยู่ (อาจเป็นพระราชธิดาในสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวบรมโกศ[7]) มีพระโอรสและพระธิดารวม 6 พระองค์ ได้รับการยกฐานันดรศักดิ์เป็นพระองค์เจ้า ต่อมาพระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงบัญญัติให้ใช้คำนำหน้าพระนามว่า "พระสัมพันธวงศ์เธอ " คือ

• พระสัมพันธวงศ์เธอ กรมหมื่นนราเทเวศร์ (พ.ศ. 2313 - พ.ศ. 2368) ต้นราชสกุลปาลกะวงศ์
• พระสัมพันธวงศ์เธอ พระองค์เจ้ากระจับ (ประสูติ พ.ศ. 2315 - พ.ศ. 2395)
• พระสัมพันธวงศ์เธอ กรมหมื่นนเรศร์โยธี (พ.ศ. 2318 - 1 เมษายน พ.ศ. 2374)
• พระสัมพันธวงศ์เธอ กรมหลวงเสนีบริรักษ์ (พ.ศ. 2320 - 7 มิถุนายน พ.ศ. 2377) ต้นราชสกุลเสนีวงศ์
• พระสัมพันธวงศ์เธอ พระองค์เจ้าปฐมวงศ์ (พ.ศ. 2325 - รัชกาลที่ 3) เป็นพระองค์เจ้าพระองค์แรกที่ประสูติหลังการสถาปนากรุงรัตนโกสินทร์ จึงได้พระนามว่า พระองค์เจ้าปฐมวงศ์
• พระสัมพันธวงศ์เธอ พระองค์เจ้าจงกล (สิ้นพระชนม์ พ.ศ. 2385)

นอกจากนี้ พระองค์ยังมีพระโอรสและพระธิดาที่ประสูติแต่หม่อมห้าม เป็นหม่อมเจ้าชาย 13 พระองค์ หม่อมเจ้าหญิง 16 พระองค์ คือ

• หม่อมเจ้าชายจัน (หม่อมเจ้าจันทร์นุเรศร์) (ประสูติ พ.ศ. 2332)
• หม่อมเจ้าหญิงรัศมี (พ.ศ. 2334 - 24 พฤศจิกายน พ.ศ. 2417)
• หม่อมเจ้าหญิงใหญ่ (พ.ศ. 2341 - 21 สิงหาคม พ.ศ. 2420)
• หม่อมเจ้าหญิงพิกุล (พ.ศ. 2342 - 15 ธันวาคม พ.ศ. 2417)
• หม่อมเจ้าหญิงธิดา
• หม่อมเจ้าหญิงเรไร
• หม่อมเจ้าชายหมี
• หม่อมเจ้าหญิงปิ่น
• หม่อมเจ้าชายสุวรรณ
• หม่อมเจ้าหญิงยี่สุ่น
• หม่อมเจ้าหญิงอำพา
• หม่อมเจ้าหญิงนุช (หม่อมเจ้าวรนุช)
• หม่อมเจ้าชายกำพร้า
• หม่อมเจ้าชายสุดชาติ (หม่อมเจ้าสุด)
• หม่อมเจ้าชายกุหลาบ
• หม่อมเจ้าชายใย
• หม่อมเจ้าชายน้อย (สิ้นชีพิตักษัย พ.ศ. 2434)
• หม่อมเจ้าชายเณร
• หม่อมเจ้าชายละมั่ง
• หม่อมเจ้าหญิงอะงุ่น
• หม่อมเจ้าชายสุทัศน์
• หม่อมเจ้าชายนิล
• หม่อมเจ้าหญิงพลับจีน
• หม่อมเจ้าหญิงป้อม
• หม่อมเจ้าหญิงเล็ก
• หม่อมเจ้าหญิงกลาง
• หม่อมเจ้าหญิงนกเขา
• หม่อมเจ้าหญิงเรศร์
• หม่อมเจ้าชายฟัก

ในบรรดาหม่อมห้ามของพระองค์ ปรากฏนามอยู่ท่านหนึ่งคือ หม่อมบุนนาค[8]

ราชสกุลในกรมพระราชวังบวรสถานพิมุขมี 2 ราชสกุลคือ ปาลกะวงศ์ และ เสนีวงศ์ หม่อมเจ้าพระองค์อื่นที่มิใช่สายพระสัมพันธวงศ์เธอ กรมหลวงเสนีบริรักษ์ จะใช้ราชสกุลปาลกะวงศ์[9]