و تزوج في 1967 من بيليندا بويد، التي اعتنقت الإسلام وسمت نفسها "خليلة علي" ومنها رزق بكبرى أولاده "مريوم" والتوأم جميلة ورشيدة، كما رزق منها بالولد الوحيد بين أولاده، محمد علي جونيور.
وفي سنة 1975 تعرف إلى الممثلة وعارضة الأزياء، فيرونيكا بورش، كان سبب طلاقه بعد عامين من أم أولاده الأربعة، فتزوج بورش في 1977 ورزق منها بابنة سماها حنة، وبثانية أصبحت أشهر بناته، وهي ليلى التي امتهنت الملاكمة، ثم فرق الطلاق في 1986 بين الزوجين.
وبعد أشهر قليلة تزوج "لوني" ابنة الجيران، التي أصبحت أرملته الآن، وهي "يولاندا ويليامس" الشهيرة باسم « لوني »، التي يعرفها منذ كانت صغيرة في "لويفيل" كابنة جيران عمرها 6 أعوام، ثم تزوجها وهي تصغره بأكثر من 15 سنة، واعتنقت الإسلام مثله. وقد تبنى محمد علي رفقة « لوني » ابن سماه "أسعد أمين" تبناه بعمر 5 أشهر.
كما له ابنتين من خارج الزواج، وهما "ميا" المولودة في 1972 و"خالية" الأصغر منها بعامين.
