In 1744 onderhandelde Lodewijk XV over een huwelijk tussen zijn vijftienjarige zoon en de negentienjarige Infanta Maria Teresa van Spanje, dochter van koning Filips V van Spanje en Elisabeth Farnese. Het huwelijkscontract werd op 13 december 1744 ondertekend en het huwelijk werd bij volmacht voltrokken in Madrid op 18 december 1744 en in persoon in Versailles op 23 februari 1745. Lodewijk en Maria Teresa Rafaela waren goed op elkaar ingespeeld en hadden een echte genegenheid voor elkaar. Zij kregen één dochter, prinses Marie Thérèse, die voor haar volwassenheid stierf en haar moeder doodde.
Op 10 januari 1747 trouwde Lodewijk te Dresden bij volmacht met Maria Josepha van Saksen, de vijftienjarige jongere dochter van Frederik Augustus II, keurvorst van Saksen en koning van Polen, en zijn vrouw, aartshertogin Maria Josepha van Oostenrijk. Een tweede huwelijksplechtigheid vond persoonlijk plaats in Versailles op 9 februari 1747.
Louis stierf in 1765 op zesendertigjarige leeftijd in Fontainebleau aan de gevolgen van consumptie. Louis werd begraven in de kathedraal Saint-Étienne in Sens zijn hart werd begraven in de Koninklijke Basiliek van Saint Denis.