Valois leżał już w tym czasie na łożu śmierci. Zmarł w grudniu 1325 r. Został pochowany w kościele Dominikanów w Paryżu. Jego najstarszy syn, Filip, został w 1328 r. pierwszym królem Francji z dynastii Walezjuszów.
Małżeństwa Karol de Valois był trzykrotnie żonaty: 18 sierpnia 1290 w Corbeil poślubił Małgorzatę Andegaweńską (ok. 1273–1299), córkę króla Neapolu Karola II Kulawego i Marii, córki króla Węgier Stefana V. 8 lutego 1302 w Saint-Cloud poślubił Katarzynę I de Courtenay (ok. 1274–1307), tytularną cesarzową Konstantynopola, córkę Filipa I de Courtenay i Beatrycze, córki króla Sycylii Karola I Andegaweńskiego. w czerwcu 1308 w Poitiers poślubił Mahaut de Châtillon (1293 – październik 1358), córkę Gwidona IV de Châtillon, hrabiego de Saint-Pol i Marii Bretońskiej, córki księcia Bretanii Jana II.
Potomkowie Z pierwszego małżeństwa: Izabela (?–1309), poślubiła Jana III, księcia Bretanii, Filip VI (1293–1350), król Francji, Joanna (ok. 1295–1352), poślubiła Wilhelma I, hrabiego Hainaut, była matką królowej Anglii Filipy, Małgorzata (?