Hij trouwde in 934 met Aleidis van Vermandois (ook Adelheid genoemd), dochter van Herbert II van Vermandois en Adelheid van Parijs. Omdat Arnulf ten tijde van dit huwelijk al ongeveer 45 jaar oud moet zijn geweest, is het aan te nemen dat hij al een of meer eerdere huwelijken heeft gehad waarvan geen gegevens van bekend zijn.
Arnulf en Aleidis kregen de volgende kinderen:
Liutgard van Vlaanderen (ca. 935 - 29 september 964), in 955 gehuwd met Wichman IV, graaf van Hamaland
Boudewijn III (tussen 935/940 - 1 januari 962)
Egbert (ovl. voor 10 juli 953)
Elftrude (ovl. na 965), in 950 gehuwd met Siegfried I van Guînes
