Organisatörerna sade att de inte var emot homosexuella eller lesbiska rättigheter, utan ville försvara familjevärderingar och äktenskapets institution.
Demonstranterna efterlyste ett möte med president Enrique Pena Nieto.
Gay- och lesbiska aktivister iscensatte rivaliserande protester.
Den allmänna opinionen i Mexiko, en övervägande romersk-katolsk nation, har splittrats sedan Pena Nieto tillkännagav i maj planer på att ändra konstitutionen.
Samkönade äktenskap är lagliga i vissa mexikanska stater, men mr Pena Nieto vill att det ska tillåtas över hela landet.
Förra året förklarade Högsta domstolen att ett förbud mot sådana fackföreningar som införts i många av Mexicos stater var grundlagsstridigt.
Ledare för Nationella fronten för familjen, som organiserade marschen, säger att de inte motsätter sig hbtq-rättigheter.
Men de hävdar att Mexiko har fallit offer för en ideologisk kamp som hotar familjens värderingar och äktenskapets institution.
"I ett demokratiskt samhälle kan man inte påtvinga en enda tanke", sade Mario Alberto Romo, en talesman för gruppen.
Demonstratörerna efterlyser ett möte med Penta Nieto för att diskutera frågan.
HBTQ-rättssupportrar dök upp under marschen för att visa sitt stöd för Pena Nietos förslag att legalisera samkönade äktenskap, men polisen sade att det inte fanns några konflikter.
Några av dem hade banderoller som löd: "Jag är gay och jag är katolik" och "Vi har också familjer".
Fyra latinamerikanska länder har redan legaliserat samkönade äktenskap: Argentina, Brasilien, Uruguay och senast Colombia.
Tusentals människor i Mexico City har protesterat mot regeringens förslag att legalisera samkönade äktenskap, vilket de säger skulle undergräva traditionella familjer.