Selon certains historiens, il aurait épousé en 1056 Sibylle de Barcelone, fille de Bérenger Raymond Ier dit le Courbé ou le Corbeau, comte de Barcelone, et de Gisèle de Lluca. Jean Richard dans Les ducs de Bourgogne et la formation du duché du xie au xive siècles2, sur la base d'une phrase d'Orderic Vital, parlant des exploits de Robert Ier en plusieurs contrées, pense qu'il faut tenir compte, ainsi que l'a supposé M. Chaume3, dit-il, d'une expédition menée en 1058 pour défendre le comte de Barcelone contre les Musulmans. « C'est au cours de cette expédition qu'il aurait épousé une parente du comte Raymond Borel de Barcelone dont le surnom passa à ses descendants ».
Il eut les enfants suivants :
Hugues Ier (1057 † 1093) duc de Bourgogne
Eudes Ier (1058 † 1102), duc de Bourgogne
Robert (1059 † 1111), évêque de Langres
Hélie (1061 † après 1081/84)
Béatrix (1063 † v. 1110), mariée à Guy III de Vignory
Renaud (1065 †1092), abbé de l Abbaye Saint-Pierre de Flavigny
Henri (1066 † 1112), comte de Portugal de qui descendra la maison royale du Portugal.
