O pai de Marcos Palmeira, o diretor José Viana de Oliveira Paula (Zelito Viana), é filho de Francisco Anysio de Oliveira Paula e de Haydee Viana. Francisco e Haydee são também pais de Francisco Anysio de Oliveira Paula Filho (Chico Anysio) e de Maria Lupicinia Viana de Paula (Lupe Gigliotti) e primo dos atores Bruno Mazzeo e Nizo Neto e das atrizes Cininha de Paula e Maria Maya. Zelito é um dos mais renomados diretores de cinema. Fundou junto com Glauber Rocha a Mapa Filmes, empresa que dirige até hoje. Marcos foi casado com a diretora artística Amora Mautner, com quem tem uma filha - Júlia. Betse de Paula, irmã de Marcos, é diretora de cinema e foi premiada no Festival de Brasília com o filme, O Casamento de Louise e no Festival de Recife com Vendo ou Alugo..

Já a mãe do ator é a produtora Vera Maria Palmeira de Paula (conhecida por Vera de Paula), que por sua vez é filha do advogado nascido no Sergipe: Sinval Palmeira, deputado estadual do Rio de Janeiro cassado pela ditadura militar, e de Maria de Lourdes Borges Palmeira, oriunda de tradicional família baiana. Vera e seus irmãos são herdeiros do "coronel" João Borges, herdando sua Fazenda de gado chamada Cabana da Ponte, em Itororó, Sudoeste da Bahia, bem como fazendas de cacau na região de Itabuna.