Selon Grégoire de Tours, « Le roi Clotaire a eu sept fils de diverses femmes, à savoir : d’Ingonde il eut Gonthier, Childéric, Charibert, Gontran, Sigebert, et une fille, nommé Closinde ; d'Arnegonde, sœur d'Ingonde, il eut Chilpéric ; et de Chunsine, il eut Chramn. »

Vers 516, à environ vingt ans, il épouse Ingonde qui doit être une esclave du domaine royal. Elle lui donne pour fils Gonthier vers 517, Childéric vers 518, Caribert vers 519, Gontran vers 528 et Sigebert en 535. Ils ont également une fille nommé Clodoswinthe. Sa mort survient bien au-delà de l'année 536.

Clotaire se marie également avec Chunsine, probablement sa deuxième reine113 avec qui il a un fils nommé Chramn entre 520 et 540note 7.

En 524, il épouse la reine franque Gondioque, veuve de son frère aîné Clodomir.

Entre 525 et 527, il épouse Arnegonde qui lui donne un fils, Chilpéric.

En 538, il se marie avec la princesse thuringienne Radegonde dont il n'aura aucun enfant.

En 555 enfin, il épouse la princesse lombarde Vuldetrade, veuve de son petit-neveu Thibaut. Elle est ensuite répudiée.

Une femme, qui était d'un rang plutôt aisé, présente son fils nommé Gondovald, né à la fin des années 540 ou au début des années 550, comme un fils de Clotaire. Clotaire « ayant semé des enfants dans toute la Gaule », il s'agit là d'une « affirmation aussi plausible qu'invérifiable » car si la mère le certifie, Clotaire lui-même doute de cet enfant. Il reçoit une éducation littéraire et se laisse pousser les cheveux, signe de son appartenance royale. Sa mère l'amène à la cour du roi Childebert Ier à qui elle certifie qu'il s'agit de son neveu. Childebert, n'ayant pas de descendant mâle, accepte de le garder à ses côtés mais Clotaire le réclame. Il refuse cependant de le reconnaître comme son fils et le fait tondre préférant le garder en vie au cas où Gondovald serait vraiment son fils.

Une fausse généalogie trouvée dans les trophées de Brabant, réalisée au IXe siècle durant le règne de Charles le Chauve, invente une fille de Clotaire nommée Blithilde qui se serait unie à Ansbert de Rouen, fils de Ferréol III. De ce mariage, serait né le duc Arnoald, père d'Arnoul de Metz, rattachant ainsi les dynasties mérovingienne et carolingienne, faisant ainsi croire que les Carolingiens régnaient par droit d'hérédité, mais aussi en les rattachant aux populations romaines par leur filiation avec la famille sénatoriale des Ferreoli