Fernando IV contrajo matrimonio en la ciudad de Valladolid, en enero de 1302, con Constanza de Portugal y Aragón, hija del rey Dionisio I de Portugal. Fruto de ese matrimonio nacieron tres hijos:
Leonor de Castilla (1307-1359). Contrajo matrimonio con Alfonso IV de Aragón, y fue asesinada en 1359 en el municipio burgalés de Castrojeriz por orden de su sobrino Pedro I de Castilla.
Alfonso XI de Castilla (1311-1350), sucesor de su padre en el trono de Castilla.
Constanza de Castilla (1308-1310). Falleció en la infancia y fue sepultada en el desaparecido monasterio de Santo Domingo el Real de Madrid, aunque en 1869 sus restos mortales fueron trasladados a la cripta de la iglesia de San Antonio de los Alemanes de la misma ciudad, donde reposan en la actualidad.