Miał chore serce. Zmarł 5 listopada 1937 na atak serca w swoim mieszkaniu w kamienicy przy ul. Marszałkowskiej 17 w Warszawie. Został pochowany na cmentarzu Powązkowskim (kwatera 171-3-25) w grobie siostry Aleksandry, zmarłej 20 czerwca 1921 w wieku 34 lat.

Życie prywatne Leśmian całe życie był mocno wierzącym katolikiem. Miał około 155 cm wzrostu. Był nałogowym palaczem – wypalał 75 papierosów dziennie.

Jego pierwszą miłością była spokrewniona z nim malarka Celina Sunderland (jej ojciec Seweryn był bratem matki Leśmiana, a jej matka Gustawa była siostrą jego ojca, Józefa). W Paryżu poznał i wiosną 1905 poślubił malarkę Zofię Chylińską. W późniejszych latach emocjonalnie związany był z Dorą Lebenthal, dla której napisał cykl erotyków W malinowym chruśniaku. Po odkryciu tego romansu żona zdecydowała się na rozwód, jednak Leśmianowi udało się ją przekonać, żeby tego nie robiła, i do końca jego życia tolerowała obecność kochanki.

Jego stryjecznym bratem był Jan Brzechwa, a wujem Antoni Lange, któremu zawdzięcza spolszczoną formę swojego nazwiska (inne źródła podają Franca Fiszera).

Jego wnuczka (córka Wandy „Duni” Leśmianówny) brytyjsko-francuska aktorka i piosenkarka Gillian Hills, grała m.in. w filmach Powiększenie (1966, reż. Michelangelo Antonioni) oraz Mechaniczna pomarańcza (1971, reż.