Nat King Cole, kariyerinin ilk yeniden dirilişinin zirvesindeyken, 25 Aralık 1936'da Chicago'da Maria Ellington ile evlendi. 20 yıl boyunca mutlu bir evlilik sürdüler ve beş çocuk evlat edindiler; Nat Kelly Cole (1937), Gary Nathaniel Cole (1939), Errol Louis Cole (Nisan 1941) ve iki kız Carol "Cookie" Cole (1944) ve Maria Cole (1947). Oğulları Nat Kelly Cole ünlü bir şarkıcı, söz yazarı ve aktör oldu.
28 Aralık 1956'da Maria Cole beklenmedik bir şekilde 45 yaşında akciğer kanserinden öldü ve Nat'ı derinden perişan ve kalbi kırık halde bıraktı. 8 Temmuz 1965'te şarkıcı Maria Hawkins'le evlenene kadar dul bir adamdı. Nat King Cole'un 1965'te zamansız vefatına kadar birlikte kaldılar.
Babalık Tartışması
1990'larda, Lorna Coles adında bir kadın ortaya çıktı ve Nat King Cole'un 1947'de annesiyle yaşadığı kısa bir ilişkiden doğan kızı olduğunu iddia etti. DNA testi, Lorna Coles'un gerçekten de Nat King Cole'un biyolojik çocuğu olduğunu doğruladı.