Dopo essere stato marito di Sandra Monteleoni (matrimonio dichiarato nullo dalla [[Sacra rotaRota]]<ref>[http://www1.adnkronos.com/Archivio/AdnAgenzia/2000/07/06/Cronaca/NOZZE-VIP-DOMANI-IL-SI-DI-LUCA-DI-MONTEZEMOLO-CON-LUDOVICA_173000.php - NOZZE VIP: DOMANI IL SI' DI LUCA DI MONTEZEMOLO CON LUDOVICA - ADN Kronos]</ref>), dalla quale ha avuto il figlio Matteo nato il 7 aprile [[1977]], è stato il compagno di Barbara Parodi Delfino, dalla quale ha avuto la figlia Clementina, nata il 5 marzo [[1981]], e poi dell'attrice [[Edwige Fenech]]; è sposato dal 7 luglio [[2000]] con Ludovica Andreoni, dalla quale ha avuto tre figli: Guia, nata il 23 aprile [[2001]], Maria, nata il 30 gennaio [[2003]], e Lupo, nato a [[Roma]] il 29 luglio [[2010]].<ref>Andrea Borella "Annuario della Nobiltà Italiana" Edizione XXXI Teglio (SO) 2010 S.A.G.I. Casa Editrice vol. 1 pag. 1528</ref> Nel 2018 la coppia annuncia la separazione.<ref>{{Cita web|url=https://www.ilsussidiario.net/news/ludovica-andreoni-ex-moglie-luca-cordero-di-montezemolo-e-figli-18-anni-sposati/2330684/|titolo=Ludovica Andreoni, ex moglie Luca Cordero di Montezemolo e figli/ 18 anni sposati|data=2022-04-26|lingua=it|accesso=2023-06-27}}</ref>
