Amoureux de la danseuse, coryphée de l'opéra de Paris, Charlotte Ranson, Pio Marmaï est souvent resté très discret concernant la femme de sa vie. "Aujourd'hui, mieux ne vaut pas qu'un paparazzi s'aventure à me photographier avec ma compagne", avait-il d'ailleurs confié dans les colonnes de Madame Figaro. Très protecteur, il avait enfin accepté d'afficher sa chérie aux yeux du monde entier en foulant avec elle le tapis rouge de la 44e cérémonie des César - où il était alors nommé pour le prix du meilleur acteur pour le film En liberté ! - le 22 février 2019 à la salle Pleyel de Paris. Quelques années plus tard, le 25 février 2022, Pio Marmaï est revenu avec sa chérie lors de la 47ème édition de la cérémonie des César à l'Olympia à Paris.
Sublime blonde à la peau porcelaine, la danseuse a donné à l'acteur son plus beau rôle en 2020 : celui de devenir papa. La grossesse de Charlotte Ranson avait été gardée secrète par l'acteur du film Le Premier Jour du reste de ta vie. Interviewé par Yann Barthès quelques mois avant la naissance du bébé, Pio Marmaï n'avait d'ailleurs pas lâché le morceau à l'antenne, se contentant de rester très évasif concernant une éventuelle future paternité. "Alors, bientôt père ?" avait ainsi demandé l'animateur, persuadé d'avoir aperçu un léger babybump chez Charlotte dans le film Ultime vengeance 2 : les origines. "Oulala, qu'est-ce qui se passe, on rentre dans l'intime, là... Peut-être que oui, peut-être que non", avait-il simplement répondu.
Au mois d'août 2020, Pio Marmaï devenait papa pour la première fois d'une petite fille prénommée Pia à 37 ans. "Je suis un tyran avec ma fille de 17 mois, a-t-il déclaré dans les colonnes de Madame Figaro en février 2022. Plus sérieusement, sous mes airs décontractés, je suis de nature assez anxieuse. J'ai l'impression que je suis un père légèrement inquiet. Mais je constate à ses côtés que tout fonctionne. J'ai la chance d'avoir un enfant calme et qui dort". Sans surprise, les amoureux ne publient aucune image de leur petite fille sur les réseaux sociaux.