Первая жена — Марина Владимировна Сечина. В 1990-е годы активно занималась бизнесом, в частности торговала недвижимостью. После развода около 2011 года в результате раздела имущества получила в собственность особняк бывших супругов в Серебряном Бору. М. В. Сечина возглавляет энергетический холдинг «Устойчивое развитие», в 2013 году стала совладелицей 16,25 % компании «РК-Телеком», системного интегратора, занимающегося обслуживанием силовых ведомств и строительством сетей для мобильных операторов. После развода, по информации газеты «Коммерсантъ», сохраняет с Сечиным хорошие деловые отношения. В декабре 2013 года стала владельцем 51 % «Экзект партнерс групп» и 49 % «О-эйч-эль рус прайвит лимитед». Первая организация занимается кадровым консалтингом, оценкой, обучением и развитием персонала, участвовала в подготовке Зимних Олимпийских игр в Сочи в 2014 году, среди клиентов организации оказалась и компания Роснефть.
Дети Сечина от первого брака:
Дочь — Инга, р. 1982, окончила Санкт-Петербургский государственный горный институт, работала в «Сургутнефтегазбанке». Была замужем за Дмитрием Устиновым (р. 1979), выпускником Академии ФСБ, сыном бывшего министра юстиции и бывшего Генерального прокурора Владимира Устинова. 4 июля 2005 года родился внук. По данным на 2017 год, Инга замужем за Тимербулатом Каримовым (р. 1974) — бывшим старшим вице-президентом ВТБ, внуком башкирского поэта Мустая Карима.
Сын — Иван, р. 1989, закончил Московскую школу экономики (факультет) МГУ им. Ломоносова. Работал в качестве аналитика в Газпромбанке. В марте 2014 года получил должность заместителя начальника одного из управлений департамента шельфовых проектов Роснефти, затем первый заместитель директора департамента совместных проектов на шельфе[104]. 20 января 2015 года, в возрасте 25 лет, был награждён медалью ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени «за большой вклад в развитие топливно-энергетического комплекса и многолетний добросовестный труд».
В 2011 году Сечин женился вторым браком на сотруднице аппарата Правительства РФ. Его вторую жену зовут Ольга (в девичестве — Рожкова); по состоянию на 2016 год Ольга Сечина — сотрудница Газпромбанка. В 2017 году, после скандала с яхтой St. Princess Olga, Сечин развёлся и со второй женой, которая ушла от него к итальянскому автогонщику Франческо Провенцано. Дочь Сечина от второго брака — Варвара, живёт вместе с матерью.
Сестра — Ирина Ивановна Штукина (род. 1960) — замужем за Александром Штукиным, начальником отдела таможенного досмотра Пулковского таможенного терминала.
