Нат Кинг Коул се жени за Мария Елингтън на 25 декември 1936 г. в Чикаго, по време на върха на първото си възраждане в кариерата. Те бяха щастливо женени в продължение на 20 години и осиновиха пет деца; Нат Кели Коул (1937), Гари Натаниел Коул (1939), Ерол Луис Коул (април 1941) и две момичета Карол „Куки“ Коул (1944) и Мария Коул (1947). Техният син Нат Кели Коул стана известен певец, автор на песни и актьор.
На 28 декември 1956 г. Мария Коул неочаквано умира от рак на белия дроб на 45-годишна възраст, оставяйки Нат дълбоко опустошен и с разбито сърце. Той беше вдовец, докато не се ожени за певицата Мария Хокинс на 8 юли 1965 г. Те останаха заедно до преждевременната смърт на Нат Кинг Коул през 1965 г.
Спор относно бащинството
През 90-те години на миналия век една жена на име Лорна Коулс се появи, твърдейки, че е дъщерята на Нат Кинг Коул от кратка връзка, която той имаше с майка й през 1947 г. ДНК тестът потвърди, че Лорна Коулс наистина е биологичното дете на Нат Кинг Коул.