В первый раз Пётр женился в 17 лет по настоянию матери на Евдокии Лопухиной в 1689 году. Спустя год у них родился царевич Алексей, который воспитывался при матери в понятиях, чуждых реформаторской деятельности Петра. Остальные дети Петра и Евдокии умерли вскоре после рождения
Алексей Петрович, официальный наследник российского престола, осуждал преобразования своего отца, а в конце концов бежал в Вену под покровительство родственника своей жены, императора Карла VI, где искал поддержки в низвержении Петра I. В 1717 году безвольного царевича уговорили вернуться домой, где он был взят под стражу. 24 июня (5 июля) 1718 года Верховный суд, состоявший из 127 человек, вынес смертный приговор Алексею, признав его виновным в государственной измене.
От брака с принцессой Шарлоттой Брауншвейгской царевич Алексей оставил сына Петра Алексеевича (1715—1730), ставшего в 1727 году императором Петром II, и дочь Наталью Алексеевну (1714—1728).
В 1703 году Пётр I встретил 19-летнюю Катерину, в девичестве Марту Скавронскую
В 1704 Катерина рожает первенца, названного Петром, в следующем году Павла (вскоре оба умерли) . Ещё до законного замужества за Петром Катерина родила дочерей Анну (1708) и Елизавету (1709). Елизавета позже стала императрицей (правила в 1741—1762), а прямые потомки Анны правили Россией после смерти Елизаветы, с 1762 по 1917.
В 1724 Пётр короновал Екатерину как императрицу и соправительницу. Екатерина Алексеевна родила мужу 11 детей, но большинство из них умерло в детстве, кроме Анны и Елизаветы.