Первой женой Алексея Баталова стала Ирина Константиновна – дочь художника Константина Павловича Ротова и детской писательницы Екатерины Борисовны Борисовой, затем приемная дочь сценариста и историка литературы Н. А. Коварского. От этого брака родилась дочь Надежда, не поддерживавшая с отцом отношений.
Вторая жена – Гитана Аркадьевна Леонтенко – артистка цирка. В этом браке родилась дочь Мария, с рождения страдающая детским церебральным параличом. Тем не менее Мария окончила сценарный факультет ВГИКа и по сию пору занимается литературным трудом.
Единоутробный брат Алексея Баталова – Михаил Викторович Ардов – писатель, публицист и мемуарист; клирик неканонической Российской православной автономной церкви, протоиерей; настоятель Московского храма св. Царственных мучеников и Новомучеников и Исповедников Российских на Головинском кладбище, благочинный Московского благочиния РПАЦ. До 1993 года был священником Русской православной церкви, служил в Ярославской и Московской епархиях. Летом 1993 года вышел из юрисдикции Московского патриархата и перешел в Русскую зарубежную церковь, став клириком Суздальской епархии. Ушел в раскол. Выступал против строительства храма Христа Спасителя в Москве, дав обет никогда не входить в этот храм. Заявлял о неприятии Олимпийских игр и любых спортивных соревнований, а также недопустимости занятий физической культурой и спортом для христиан. С братом на религиозной почве был в непростых отношениях.
Второй единоутробный брат – Борис Викторович Ардов. Учился в Шкoле-cтyдии MXAT на курсе A. Кapeвa. Работал в театрах «Coвpeмeнник» и Центральном театре Советской армии. Учился на Высших курсах сценаристов и режиссеров, преподавал во BГИКе. Снялся в нескольких фильмах, в том числе «Живые и мертвые» и «Три толстяка».
Дядя – Николай Петрович Баталов – российский и советский актер театра и кино, заслуженный артист РСФСР. Учился во Второй студии МХТ. Женился на известной актрисе Ольге Андровской. Преподавал. Был награжден орденом Трудового Красного Знамени.
Тетя – Ольга Николаевна Андровская