وله أربعة إخوة وأربع أخوات:
السائب بن العوام: أمه صفية بنت عبد المطلب فهو شقيق للزبير، أسلم وحضر غزوة أحد وغزوة الخندق، وقُتِل السائب في معركة اليمامة.
عبد الرحمن بن العوام: أمه أم الخير أميمة، حضر غزوة بدر في صفوف قريش، وأسلم يوم فتح مكة عام 8 هـ، وذكر الزبير بن بكار أن اسمه كان في الجاهلية «عَبْد الكعبة» فسماه النبي «عبد الرحمن»، وقُتِل عبد الرحمن في معركة اليرموك، وقُتِل ابنه عبد الله يوم الدار في بيت عثمان بن عفان.
عبد الله بن العوام: أمه أم الخير أميمة، حضر غزوة بدر مع أخيه عبد الرحمن في صفوف قريش، فلما انهزموا كان وأخوه عبد الرحمن على جَمَل فوجدا حكيم بن حزام ماشيًا وهو ابنُ عمهما، وكان عبد الله أعرجًا؛ فقال له أخوه عبد الرحمن: «أنزل بنا نركب حكيمًا»، فقال: «أنشدك الله فإني أعرج»؛ فقال: «والله لتنزلنّ عنه، ألا تنزل لرجلٍ إنْ قُتِلْت كفاكَ، وإن أُسِرت فَدَاكَ؟» فنزل، وأركبا حكيمًا على الجمل، فنجا حكيم، ونجا عبد الرحمن على راحلته، وأُُدرِك عبد الله فقُتل.
عبد الكعبة بن العوام: ذكر محمد بن سعد البغدادي وغيره أن للزبير أخا آخر اسمه عبد الكعبة من أمه صفية بنت عبد المطلب.
أم حبيب بنت العوام: أمها صفية بنت عبد المطلب فتكون شقيقة للزبير. كانت زوج خالد بن حزام أخي حكيم بن حزام، فولدت له أم الحسن، ومات خالد بن حزام راجعًا من هجرة الحبشة الأولى إلى مكة.
زينب بنت العوام: صحابية، وشاعرة، أدركت الإسلام، وأسلمت، تزوجها حكيم بن حزام، فأنجبت له خالد ويحيى وشيبة وعبد الله وفاختة، أسلموا يوم الفتح. قتل ابنها عبد الله بن حكيم يوم الجمل فرثته وذكرت أخاها وابنها بأبيات. توفيت زينب نحو عام 40 هـ.
هند بنت العوام: زوجة الصحابي زيد بن حارثة.
أم السائب بنت العوام: قال هشام: «وكان للزبير أخت يقال لها أم السائب بنت العوام».