家世
曾祖父：太祖高皇帝刘邦、曾祖母：（追谥）高皇后薄氏
祖父：太宗孝文皇帝刘恒、祖母：孝文皇后窦氏
外祖父：王仲、外祖母：臧儿，故燕王臧荼孙。
父亲：孝景皇帝刘启、母亲：孝景皇后王氏

后妃

皇后
陈皇后，生卒年不详，无子，西汉武帝刘彻的第一任皇后，正史未留其名，终被废，居长门宫。
卫子夫：孝武卫思后（？－公元前91年），也称卫皇后，名不详，字子夫。中国汉代平阳（今山西临汾）人，汉武帝的第二任皇后。卫子夫原是平阳侯曹寿和平阳公主的讴者，建元二年（公元139年春），被到访平阳公主家的汉武帝临幸并带入宫中。
史记的作者太史公司马迁在《史记·外戚世家》中称赞卫皇后：陈后太骄，卒尊子夫。嘉夫德若斯，作《外戚世家》第十九。可见卫皇后具有母仪天下的品格，因此才能够得到这位大史学家的称赞。【注《汉书新注》“夫”，卫子夫。】

妃嫔
李夫人，后由霍光追封为孝武李皇后，李延年的妹妹，生昌邑王刘髆。
王夫人，生齐怀王刘闳。史记里王夫人去世后刘彻命齐少翁招其魂，汉书将这段故事移到了李夫人身上。
赵婕妤（即勾弋夫人，也称拳夫人），生汉昭帝刘弗陵(也作刘弗)。后来被追封为赵太后。
尹夫人（尹婕妤）
邢夫人（邢娙娥）
李姬，生刘旦、刘胥。
某氏，生夷安公主。
某氏，生盖长公主（即鄂邑长公主）。

子女

儿子
1. 长子 戾太子刘据，母皇后卫子夫，其孙刘询后为汉宣帝。
2. 次子 齐怀王刘闳，母王夫人，元狩六年立，18岁驾薨。
3. 三子 燕剌王刘旦， 母李姬。
4. 四子 广陵厉王刘胥（与刘闳、刘旦同日封王）。
5. 五子 昌邑哀王刘髆， 母李夫人，天汉四年立（其子是汉废帝刘贺，当过27天皇帝）。
6. 六子 汉昭帝刘弗（又名刘弗陵），母钩弋夫人赵婕妤，在位十三年，21岁驾崩。

女儿
由于历史记载不详，刘彻之女未有明确排序，而且很可能部分帝女未曾史书留名。（比如汉景帝时期只记载了刘彻三个同母姐妹，文帝时期只记载了馆陶公主和绛公主）
1. 长女 卫长公主（当利公主），是汉武帝和卫皇后的长女，也是汉武帝最喜欢的女儿。汉武帝为求长生不老，派人到处寻访方士。最著名的方士栾大，被封为五利将军、天道将军、地道将军、乐通侯，“赐列侯甲第，僮千人、乘舆斥车马帷帐器物以充其家”，汉武帝还将卫长公主嫁给了他（卫长公主原先嫁给曹寿的儿子平阳侯曹襄，因为丈夫早死，再嫁栾大），后来武帝发现栾大是个骗子，怒火中烧，派人把栾大活活烧死，以泻心头之恨。从此卫长公主再无事迹见于史料。只知道她的儿子曹宗可能在“巫蛊之祸”中遇害身亡（因史料记载有出入，也有说曹宗未被牵连的），汉宣帝时她的孙子曹喜恢复了列侯爵位，这个爵位一直延续到东汉。
2. 鄂邑长公主（盖长公主），生母不详，刘彻去世后因抚养汉昭帝被封长公主，与燕王刘旦、上官桀、上官安及桑弘羊等合谋诛除霍光，事发后自杀。
3. 诸邑公主，史记索隐称其母为卫子夫，死于巫蛊之祸。
4. 石邑公主，史记索隐称其母为卫子夫，生卒年不详。
5. 阳石公主（德邑公主），生母不详，死于巫蛊之祸。
6. 夷安公主，生母不详，嫁汉武帝姊妹隆虑公主之子昭平君，后昭平君因杀人犯法而被处死。