Первой официальной женой Петросяна стала сестра балерины Кригер, второй — с дочерью оперного певца Анной Козловской. Оба брака были недолгими. В третий раз юморист женился на искусствоведе Людмиле. Вместе с ней он даже выступал на сцене, но супруга постоянно жаловалась, что он много работает.

И вот, наконец, артист знакомится с выпускницей ГИТИСа Еленой Степаненко, которая пришла на пробы Театра эстрадных миниатюр. Позже она вспоминала, что ее и Петросяна сильно тянуло друг к другу.

«Это было как испытание атомной бомбы», — вспоминала она.

Своей жене Людмиле Петросян рассказал о новом увлечении. Он решил с ней развестись и сразу же женился на актрисе. Юморист не раз называл этот брак самым удачным.

В 2008 году появились слухи об изменах Петросяна — его периодически видели в компании других женщин. После адвокат Сергей Жорин в интервью от 2018 года рассказывал, что на самом деле юмористы не живут вместе уже как лет 15. Степаненко при этом требовала большую часть состояния своего супруга.

В 2018 году супруги официально развелись. В произошедшем обвиняли помощницу юмориста Татьяну Брухунову, ставшую впоследствии Петросяну пятой женой. Сейчас артисту 78 лет, его супруге 34 года. Они воспитывают трехлетнего сына Вагана.