24 listopada 1787 w Karlsruhe poślubił Ludwikę Karolinę, córkę barona Geyer von Geyersberg Ludwika Henryka i hrabiny Sponeck Maksymiliany Krystyny. Miał z nią pięcioro dzieci: Karol Leopold (1790–1852) – wielki książę Badenii w latach 1830–1852 Wilhelm Ludwik (1792–1859) – ożenił się z księżniczką Elżbietą Aleksandrą Wirtemberską Fryderyk Aleksander (ur./zm. 1793) Amelia Krystyna (1795–1869) – żona Karola Egona II, księcia Fürstenberg Maksymilian Fryderyk (1796–1872)
Ponadto wielki książę Karol miał syna z Elizą Barbarą Schlutter, był nim Karol Fryderyk von Freystedt (1749–1795), od którego pochodzili baronowie von Freystedt.
Genealogia Karol III Wilhelmur. 17 I 1679zm. 12 V 1738 Magdalena Wilhelmina Wirtemberskaur. 7 XI 1677zm. 30 X 1341 Wilhelm Friso von Nassau-Dietz-Oranien Maria Ludwika von Hessen-Kassel Fryderyk Badeńskiur. 7 X 1703zm. 26 III 1732 Anna Charlotte Amalie von Nassau-Dietz-Oranienur. 13 X 1710zm. 17 IX 1777