Nel 1845 Claude Bernard sposò Fanny Martin, figlia di un ricco medico. Il matrimonio, combinato dagli amici dello scienziato, preoccupati per il fatto che egli non avesse ancora una situazione stabile, gli fornì le condizioni materiali per consacrarsi al suo lavoro di ricerca, ma gli varrà anche numerosi dispiaceri. La moglie infatti diverrà una militante della nascente associazione per la protezione degli animali ("Société protectrice des animaux"), reagendo alla sperimentazione animale che il marito ampiamente praticava in nome del progresso della medicina. Dalla loro unione nacquero quattro figli, dei quali solo due arrivarono all'età adulta: Jeanne-Henriette (1847-1923), chiamata Tony, e Marie-Louise (1849-1922), che vedranno pochissimo il padre. Rimaste nubili, entrambe consacrarono la loro vita alla cura e all'accoglimento degli animali nella loro casa di Bezons, compensando così il sacrificio degli animali del padre. Il 22 agosto 1870 i coniugi Bernard si separano ufficialmente.