С 1954 по 1987 год Леонард Нимой был женат на актрисе Сэнди Зобер, с которой он воспитал двоих детей - Джули (родилась в 1955 году) и Адам (родился в 1956).

В 1989 году Нимой женился на актрисе Сьюзен Бэй, с которой он оставался в браке до самой своей смерти в феврале 2015 года.