ในปีพ.ศ. 2476 พระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ทรงประกอบพิธีสมรสพระราชทานแก่หม่อมทวีวงศ์ถวัลยศักดิ์กับหม่อมราชวงศ์ทิพยวดี ชยางกูร ธิดา หม่อมเจ้าสฤษดิเดช ชยางกูร และ หม่อมเนื่อง ชยางกูร ณ อยุธยา (สกุลเดิม ณ นคร) มีธิดา 2 คน

1. หม่อมหลวงถวัลย์วดี ทวีวงศ์ สมรสกับนายพูนผล เตวิทย์ มีบุตร ธิดา 2 คน คือ นางนันทนี เตวิทย์ และนายณพาวุธ เตวิทย์
2. หม่อมหลวงนราวดี ทวีวงศ์ (ท่านผู้หญิงนราวดี ชัยเฉนียน) สมรสกับนายสันชัย ชัยเฉนียน มี ธิดา 2 คน คือ นางจุฑาพร เตชะไพบูลย์ และ นางสาวหนึ่งนุช ชัยเฉนียน

ภายหลังจากที่หม่อมราชวงศ์ทิพยวดี ถึงแก่กรรมแล้ว ได้สมรสกับ หม่อมราชวงศ์พรพรรณ ชยางกูร (ท่านผู้หญิงพรพรรณ ทวีวงศ์ถวัลยศักดิ์) ธิดา หม่อมเจ้าสฤษดิเดช และ หม่อมเนื่อง ชยางกูร ณ อยุธยา เมื่อ พ.ศ. 2491