Агния Барто была его первой женой. Брак продлился 6 лет. Их сын Эдгар погиб в результате несчастного случая (он катался на велосипеде и попал под грузовик) в 1945 году. Павел Барто был соавтором трёх её стихотворений (в том числе «Девочка-ревушка», «Девочка чумазая»). Затем был женат еще 3 раза (в последний раз на собственной кузине) и имел нескольких детей от этих союзов. Второй женой Павла Николаевича была Любовь Васильевна Севей. У них родились три дочери: Марина (1932 г.), Сюзанна (1934 г.) и Анна (1937 г.). Третьей женой Павла Барто была Евдокия Ивановна (прожили вместе 20 лет). Четвертой женой — Рената Николаевна Виллер, его кузина. С последней супругой прожил 25 лет. Похоронен на Введенском кладбище.