Małżeństwa Był dwukrotnie żonaty. Pierwsze małżeństwo zawarł z Magdaleną (Teodorą) Tocco, siostrzenicą włoskiego władcy Epiru – Leonarda II Tocco. Małżeństwo zostało zawarte w 1428 w obozie wojskowym w pobliżu Patras na Peloponezie. Małżeństwo miało przypieczętować dominację Paleologów na Peloponezie. Magdalena zmarła jednak rok później przy porodzie. Potem 27 lipca 1441 roku ożenił się z Katarzyną Gattilusio, córką genueńskiego władcy Lesbos Dorina I z rodu Gattilusio. Krótkotrwałe małżeństwo wzmacniało związki Paleologów z genueńską dynastią Lesbos. Jednakże także i ona rychło zmarła, w 1442 roku w rok po zawarciu małżeństwa. Konstantyn XI znalazł się w podobnej sytuacji jak jego brat Jan VIII. Katarzyna Gattilusio czy Magdalena Tocco, wychowane w świecie egejskim, w aurze współistnienia katolicyzmu i prawosławia, nie były wyrazicielkami religijnej misji Rzymu, chociaż Katarzyna Gattilusio brała ślub z Konstantynem XI w klimacie zbliżenia Kościołów, po podpisaniu unii we Florencji w 1439. Steven RuncimanUpadek Konstantynopola 1453, przeł. Antoni Dębicki, wyd. 2, Warszawa: Państwowy Instytut Wydawniczy 1994, s. 161 utrzymuje, że żony despoty, a przyszłego cesarza Konstantyna XI, nie przeszły na prawosławie. Magdalena Tocco zmarła w zamku Saint-Omer.