С 2004 года Олеся Железняк замужем за актером Спартаком Сумченко. Пара воспитывает дочь Агафью (родилась 9 ноября 2006 года) и сыновей Савелия (родился в 2004 году), и Прохора (родился в январе 2011 года).

В ноябре 2013 года у пары родился еще один сын.