Koos første kone var Pao-yu Tang, som var yngste datter af den tidligere kinesiske premierminister Tang Shaoyi. Med hende fik han to sønner, Wellington Koo Jr. (født 1921) og Freeman Koo (født 1923). Han giftede sig igen, denne gang med Hui-Lan "Juliana" Oei, som var datter af den javanesisk-kinesiske sukkermagnat Oei Tiong-ham. Med hende fik han sønnen Teh-chang Koo og datteren Patricia Koo samt tre stedbørn. Han blev separeret fra sin anden kone i 1950'erne, hvor han begyndte at bo sammen med en anden kvinde, som han offentligt omtalte som sin kone. Han blev dog aldrig skilt fra Juliana Koo.