Małżeństwa Arnaz i Ball poznali się na planie filmowym i pobrali niedługo po zakończeniu zdjęć - 30 listopada 1940 roku. Mieli dwójkę dzieci: córkę Lucie Arnaz (ur. 1951 r.) i syna Desi'ego Arnaza Jr. (ur. 1953 r.). Para zmagała się z poważnym kryzysem w związku, na który wpływały uzależnienie od alkoholu i hazardu Arnaza. Małżeństwo zakończyło się w 1960 r. Ball i Arnaz pozostali jednak przyjaciółmi.
Drugą żonę — Edith Hirsch — Arnaz poślubił 2 marca 1963 roku. Po ślubie znacznie ograniczył swoją obecność w show-businessie. Edith zmarła w 1985 roku na raka. Po jej śmierci Arnaz, dzięki namowom swoich dzieci, podjął się leczenia swojego uzależnienia od alkoholu.
Arnaz zmarł na raka płuc 2 grudnia 1986 roku w wieku 69 lat.
Filmografia Too Many Girls (1940) jako Manuelito Lynch Tata szuka żony (Father Takes a Wife, 1941) jako Carlos Bardez Four Jacks and a Jill (1942) jako Steve Sarto/ Król Stephan VIII The Navy Comes Through (1942) jako Pat Tarriba Bataan (1943) jako Felix Ramirez Cuban Pete (1946) jako Desi Arnaz Jitterumba (1947) Holiday in Havana (1949) jako Carlos Estrada I Love Lucy (1953) jako Ricky Ricardo/on sam The Long, Long Trailer (1954) jako Nicholas 'Nicky' Collini Forever, Darling (1956) jako Lorenzo Xavier Vega Kocham Lucy (1951-1957) jako Ricky Ricardo, Enrique Alberto Ricardo y de Acha III