Voronoff se maria en 1897 avec Marguerite Barbe (morte en 1910). Sa seconde épouse fut Evelyn Bostwick (morte en 1921), une riche mondaine new-yorkaise, avec qui il se maria en 1919. Betty Carstairs, la fille d'Evelyn Bostwick issue d'un premier mariage , devint un célèbre pilote de power boat ⇔ bateau à moteur britannique. La troisième épouse de Voronoff, Gertrude, devint la Condesa da Foz à la mort de son mari.