Su reinado de 44 años fue el más largo de la Casa de Austria. Contrajo un primer matrimonio en 1615 con Isabel de Borbón, hija de Enrique IV de Francia, con quien había sido prometido a la edad de seis años. Fruto de este matrimonio nacieron diez hijos, de los cuales, sólo dos llegaron a adultos.
Después de la muerte de Isabel, en 1644, contrajo nuevas nupcias con Mariana de Austria. El enlace se celebró en 1649 en la localidad de Navalcarnero. De esta unión nacieron cinco hijos.
Históricamente se ha calculado que Felipe IV fue padre de, al menos, treinta hijos bastardos, de los cuales reconoció solamente a dos.