27 березня 2013 року стало відомо про заручення Володимира з його подругою - американською акторкою Гейден Панеттьєр, а 9 грудня 2014 року у Гейден та Володимира народилась донька Кая Євдокія. Своє друге ім'я дівчинка отримала на честь бабусі братів Кличків. Кличко та Панеттьєр розлучилися влітку 2018 року.
Ексзакохані не діляться деталями особистого життя у соцмережах та не публікують багато інформації про спільну доньку. Проте відомо, що дівчинка виховується бабусею: матір'ю Кличка, і живуть вони у Києві. Надія займалася вихованням Каї-Євдокії, поки її батько викладав у Гарварді та одному з швейцарських вишів.
Каї-Євдокії в грудні виповнюватиметься 9 років. Дівчинка росте, і з кожним роком стає все більш схожою на маму-акторку: має таке ж янгельське личко та біляве волосся.
Гейден, в свою чергу, говорила, що лишити доньку на Володимира було її найскладнішим, але найкращим рішенням. Після пологів у акторки почалися проблеми з деперсією, яку вона глушила алкоголем та наркотиками, що переросло у справжню залежність. Втім, не зважаючи на те, що мама з донькою нечасто бачаться (лише на рідкісні свята та вихідні), Кая-Євдокія все ще любить її. Жінка зрідка ділиться такими дорогими серцю фото з донькою.
Після повномасштабного вторнення росії в Україну Гейден підтримала свого ексчоловіка та всіх українців, і відкрила власний фонд допомоги українським військовим-фронтовикам.