曾祖父母
●朱邪执宜，率部族归附唐朝，后唐建立后尊为懿祖昭烈皇帝。
●崔氏，后唐建立后追谥为昭烈皇后。
祖父母
●李国昌，原名朱邪赤心，官至代北节度使，后唐建立后尊为献祖文景皇帝。
●秦氏，后唐建立后追谥为文景皇后。
父母
●李克用，官至河东节度使，封晋王，后唐建立后追尊为太祖武皇帝。
●嫡母刘氏，初封秦国夫人，后唐建立后被尊为皇太妃。
●生母曹氏，初封晋国夫人，后唐建立后被尊为皇太后，谥号贞简皇后。
兄弟
据《旧五代史·唐宗室传》、《新五代史·唐家人传》记载，李克用生有八子，李存勖排行最长。
●李存霸，官至河中节度使，封永王，兴教门之变后被乱军所杀。
●李存美，封邕王，兴教门之变后不知所踪。
●李存礼，封薛王，兴教门之变后不知所踪。
●李存渥，官至天平节度使，封申王，兴教门之变后被乱军所杀。
●李存乂，官至保大军节度使，封睦王，因是郭崇韬之婿而被李存勖处死。
●李存确，封通王，兴教门之变后藏匿于民间，被霍彦威所杀。
●李存纪，封雅王，兴教门之变后藏匿于民间，被霍彦威所杀。
此外，李存勖还有几位兄弟散见于《资治通鉴》以及新旧《五代史》的各人物传记中。
●李落落，担任铁林指挥使，乾宁三年（896年）被梁军擒获，送交罗弘信处斩首。
●李廷鸾，天复二年（902年）时被梁军擒获。
●李存矩，担任新州刺史、威塞军防御使，总领山后八军，贞明三年（917年）死于祁沟关兵变。
而据《李克用墓志》记载，李存勖有一个哥哥李嗣昭，二十三个弟弟，分别是李存贵、李存顺、李存美、李存矩）、李存范、李存霸、李存规、李存璲、李善意、李大馥、李重喜、李小馥、李柱柱、李神奴、李常住、李骨骨、李乔八、李外端、李小惠、李延受、李小住、李口宝、李小宝。[140]
后妃
皇后
●皇后刘氏，初封魏国夫人，同光二年（924年）四月册为皇后。兴教门之变后逃奔太原，出家为尼，最终被李嗣源赐死。后晋时期，追谥为神闵敬皇后。
妃嫔
●淑妃韩氏，初封卫国夫人，同光二年四月封为淑妃，后唐灭亡时陷于契丹。
●德妃伊氏，初封燕国夫人，同光二年四月封为德妃，后唐灭亡时陷于契丹。
●昭仪侯氏，同光二年（924年）十一月封汧国夫人。
●昭容夏氏，同光二年（924年）十一月封虢国夫人。明宗年间赐嫁于契丹李赞华。
●昭媛白氏，同光二年（924年）十一月封沂国夫人。
●出使美宣邓氏，同光二年（924年）十一月封珝国夫人。
●御正楚真张氏，同光二年（924年）十一月封凉国夫人。
●司簿德美周氏，同光二年（924年）十一月封宋国夫人。
●侍真吴氏，同光二年（924年）十一月封渤海郡夫人。
●懿才王氏，同光二年（924年）十一月封太原郡夫人。
●咸一韩氏，同光二年（924年）十一月封昌黎郡夫人。
●瑶芳张氏，同光二年（924年）十一月封清河郡夫人。
●懿德王氏，同光二年（924年）十一月封琅琊郡夫人。
●宣一马氏，同光二年（924年）十一月封扶风郡夫人。
●郭氏，登州刺史郭归厚之女，原为梁帝朱友贞之妃，后梁灭亡后被李存勖纳入后宫，后出家为尼，法名誓正。
●侯氏，原为梁将符道昭之妻，夹寨之战时被李存勖俘获，一度宠冠诸宫，号为“夹寨夫人”。
●某氏，因貌美有子遭到刘皇后的嫉妒，被刘皇后赐于元行钦为继室。
子女
儿子
●李继岌，官至兴圣宫使，封魏王，以西南面行营都统之职领军灭蜀。兴教门之变后，在渭南兵溃自杀。
●李继潼，同光三年（925年）被拜为光禄大夫，检校司徒，兴教门之变后不知所踪。
●李继嵩，同光三年（925年）被拜为光禄大夫，检校司徒，兴教门之变后不知所踪。
●李继蟾，同光三年（925年）被拜为光禄大夫，检校司徒，兴教门之变后不知所踪。
●李继嶢，同光三年（925年）被拜为光禄大夫，检校司徒，兴教门之变后不知所踪。
女儿
●义宁公主，嫁宋廷浩，生宋偓，孙女为宋朝孝章皇后。