5 sierpnia 1765 r. poślubił w Innsbrucku Marię Ludwikę Burbon (24 listopada 1745 – 15 maja 1792), córkę króla Hiszpanii Karola III i Marii Amalii Wettyn, córki króla Polski i elektora saskiego Augusta III. Podczas uroczystości ślubnych Leopolda był chory, a w czasie uroczystości weselnych, 18 sierpnia 1765 r., nagle zasłabł i zmarł cesarz Franciszek I Lotaryński. Leopold i Maria Ludwika mieli 16 dzieci: Maria Teresa (1767–1827) – żona króla Saksonii Antoniego Klemensa Wettyna; Franciszek (1768–1835) – cesarz rzymski; Ferdynand (1769–1824) – wielki książę Toskanii; Maria Anna (1770–1809) Karol Ludwik (1771–1847) – książę cieszyński; Aleksander (1772–1795) Albrecht (1773–1774) Maksymilian (1774–1778) Józef Antoni (1776–1847) – palatyn Węgier; Maria Klementyna (1777–1801) – żona księcia Franciszka Burbona późniejszego króla Neapolu i Sycylii; Antoni Wiktor (1779–1835) – wielki mistrz zakonu krzyżackiego Maria Amalia (1780–1798) Jan (1782–1859) Rajner (1783–1853) – wicekról lombardzko-wenecki; Ludwik (1784–1864) Rudolf Jan (1788–1831) – arcybiskup ołomuniecki, kardynał