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 (Шульц) – выдающаяся советская российская актриса театра и кино, педагог. Народная артистка СССР, лауреат Сталинской премии первой степени. Была награждена тремя орденами Трудового Красного Знамени и четырьмя медалями. В 1914 году окончила с золотой медалью Московскую женскую гимназию Л. О. Вяземской и поступила на медицинские курсы. Год проработала в клинике, ухаживала за ранеными, поступающими с фронта. По настоянию отца в 1915 году поступила на юридический факультет при Высших женских курсах В. А. Полторацкой. Во время учебы участвовала в любительских спектаклях. В 1918 году поступила в Театр Корша, где получила первые уроки театрального мастерства. Одновременно работала в Драматической студии имени Ф. И. Шаляпина. В память о младшем брате Андрее, погибшем в 1924 году от ран, полученных на Гражданской войне, взяла псевдоним Андровская. С 1924 года – актриса МХАТа. В 1938 году дебютирует в кинематографе – исполняет роль помещицы Поповой в фильме И. М. Анненского «Медведь» по А. П. Чехову. Вместе со своим партнером по фильму М. И. Жаровым через год снялась и в следующем фильме И. М. Анненского – «Человек в футляре» по рассказу А. П. Чехова. До последних дней О. Н. Андровская сохраняла творческую активность. 6 октября 1970 года состоялась премьера спектакля «Село Степанчиково и его обитатели» по Ф. М. Достоевскому с Андровской в роли генеральши Крахоткиной. В сентябре 1972 года она перенесла тяжелую операцию, но почти сразу же после выхода из больницы самостоятельно начала готовить роль Турусиной в комедии А. Н. Островского «На всякого мудреца довольно простоты», о которой давно мечтала, но сыграть которую ей так и не довелось. Уже будучи неизлечимо больной, с блеском сыграла роль пани Конти в прославленном спектакле «Соло для часов с боем» О. Заградника в постановке О. Н. Ефремова. В спектакле были заняты и другие «старики» МХАТа – А. Н. Грибов, В. Я. Станицын, М. И. Прудкин, М. М. Яншин. Премьера состоялась 13 декабря 1973 года. Одновременно спектакль был экранизирован. Эта роль оказалась для нее последней.