Pitanje Zvonimirova podrijetla, s obzirom na dostupnu izvornu građu, zacijelo će zauvijek ostati neriješeno. Sigurno je da je morao potjecati iz najviših slojeva onodobna hrvatskog društva, no je li ili nije pripadao dinastiji Trpimirovića, nije moguće utvrditi izvan sumnje. Pritom se niti to što je ponio kraljevsku krunu ne može uzeti kao posredan dokaz da bi pripadao vladarskoj lozi – neki su istaknuli da je za kralja mogao biti izabran samo pripadnik dinastije – jer je kraljevsku legitimaciju zahvaljivao krunidbi pod Papinim pokroviteljstvom, ujedno i najpoželjnijem načinu ostvarivanja prava na krunu u srednjemu vijeku. Zvonimir je prethodno nosio vojvodski naslov koji je davao prijestolonasljednički položaj, ali ga je najvjerojatnije sâm prisvojio nakon nestanka Petra Krešimira IV. s povijesne pozornice ne bi li dodatno osnažio svoje pretenzije. Srodstvo s kraljevskom obitelji, čak i dalje, moglo mu je u tome pripomoći, međutim nije bilo presudno jer je očito da je Zvonimir nastupao s pozicije moći.
Najdomišljatiji prijedlog koji su iznijeli povjesničari u vezi sa Zvonimirovim podrijetlom polazio je od njegove pripadnosti pobočnoj lozi Trpimirovića – tzv. Svetoslavićima, odnosno potomcima kralja Svetoslava Suronje. Svetoslavov sin Stjepan, ako je uistinu Svetoslav nosio nadimak Suronja, a ne njegov brat Krešimir III., djed Petra Krešimira IV., kao što se ponekad misli, oženio bi se kćeri dužda Petra II. Orseola. Dinastičko povezivanje sa zbačenim Trpimirovićem moglo se Orseolima uklapati u planove ako su kanili potomka vlastite dinastije postaviti na hrvatsko prijestolje. Nakon što su 1026. Orseoli napustili Veneciju, Svetoslavići bi se pridružili sinu dužda Otona Orseola, Petru Orseolu, koji se sklonio na dvor ujaka Stjepana I. Arpadovića u Ugarskoj. Zvonimir bi zahvaljujući srodstvu kako s hrvatskom tako i s ugarskom vladarskom dinastijom postao u Hrvatskoj suvladar Petra Krešimira IV. s banskim naslovom, izguravši s prijestolonasljedničkog položaja Krešimirova nećaka Stjepana, a potom se vinuo i do kraljevske vlasti kao legitiman član kuće Trpimirovića. Iako je zavodljivo pomišljati da bi Zvonimir bio Svetoslavić, te da su se Svetoslavići vratili u Hrvatsku nakon što je Petar Orseolo zbačen 1041. s vlasti u Ugarskoj, riječ je o nagađanju koje se ne može potkrijepiti. Doduše, nedavno je upozoreno da je u doba kralja Andrije I. službu najvišega dvorskog dužnosnika u Ugarskoj, palatina, obnašao Radon (Rado), koji se spominje u ispravi datiranoj u 1057. godinu (sastavljenoj zapravo u 13. stoljeću, ali s autentičnim elementima iz ranijeg vremena) i za čije se ime smatra da je slavenskog podrijetla, a za vladavine Andrijina sina Solomona Radovan (Rodowan) koji se navodi u ispravi iz oko 1067. godine i koji bi mogao biti Radonov sin. Budući da je jedini Zvonimirov poznati sin nosio ime Radovan, misli se da bi to upućivalo na njegove rodbinske veze s ugarskim palatinom u kontekstu tazbinstva s Arpadovićima. Štoviše, Radon se u ispravi pojavljuje kao pokrovitelj samostana sv. Demetrija (Dimitrija) na mjestu buduće Sremske Mitrovice, koji je postojao od 11. stoljeća, ako je suditi po bizantskim izvorima iz 12. stoljeća. To bi ukazivalo na prisutnost kulta sveca, po kojemu je Zvonimir dobio krsno ime, u Ugarskoj. Doduše, ondje je to bilo vrlo rijetko ime prije 13. stoljeća (na temelju isprava poznata su dva primjera iz 12. stoljeća), ali to ne isključuje mogućnost da je u najvišim društvenim slojevima usvojeno i ranije jer je Demetrije bio istaknuti bizantski vojnički svetac, čak i ako je popularnost njegova kulta u Ugarskoj snažno porasla tek u 13. stoljeću.
Nasuprot pretpostavci o Zvonimirovoj pripadnosti lozi Svetoslavića stoji mišljenje da nije bio član dinastije Trpimirovića. Razlozi za to bili bi sljedeći: na vlast je došao izborom; nastojao se udaljiti od baštine prethodne dinastije tako što je Splitskoj nadbiskupiji predao crkvu sv. Stjepana koja je od druge polovine 10. stoljeća bila obiteljska grobnica Trpimirovića i crkvu sv. Marije u kojoj je bio grob kraljice Jelene, supruge kralja Mihaela Krešimira II, te Papi darovao riznicu samostana sv. Grgura u Vrani u kojoj su se čuvale stare kraljevske oznake dobivene iz Konstantinopola; njegov ujak Streza(ta) živio je, kako se čini, u Sidraškoj županiji sa sjedištem u Biogradu jer je ondje imao posjede. Osim toga, Zvonimirovo krsno ime Demetrije imalo je tradiciju i u Zadru jer je poznato da je svetac bio jedan od naslovnika zadarske crkve koju je darovao ban Stjepan Praska. Otuda niti veza s Ugarskom, koju pretpostavlja postavka o lozi Svetoslavića, nije nužna, osobito stoga što je u skladu sa zapadnom praksom Zvonimir svečev spomendan obilježavao 8. listopada – otuda i datum njegove krunidbe – dok se u Ugarskoj on slavio 26. listopada kao što je bilo uobičajeno u Istočnoj Crkvi. Ipak, izgleda da je u 14. stoljeću postojala tradicija da je Zvonimir bio član dinastije jer se u njegovoj (navodnoj) ispravi o nadarivanju Splitske crkve, datiranoj 1078. godine, a sastavljenoj 1338., spominju darovanja njegovih predaka, što je jasna uputnica na Trpimiroviće. Nakon svega iznesenog, možda se smije zaključiti da je Zvonimir rođen u Hrvatskoj jer mu je odatle potjecala majka, sudeći po tome gdje joj je živio brat, Zvonimirov ujak Streza(ta), te da bi ga u potrazi za precima možda najpodesnije bilo povezati s obitelji bana Stjepana Praske koji je temeljem položaja uživao znatan ugled i moć u državi, na što ukazuje i bizantski dvorski naslov kojim je bio počašćen, te posjedovao veliku imovinu, što su sve elementi koji bi Zvonimira činili dostojnim kraljevske vlasti i omogućili mu takav uspon čak i ako je bio uzurpator.
Razumljivo, od Zvonimirove najuže obitelji najveću je pozornost dobila njegova supruga, čije se ime obično navodi kao Jelena L(ij)epa. Ovdje valja naglasiti da se u izvorima ne pojavljuje u takvom obliku nego ili kao Helena (latinska inačica za hrvatsko ime Jelena) ili kao Lepa, pri čemu joj je potonje moglo biti pučko ime. Budući da u ugarskoj kronici iz sredine 14. stoljeća, Kronici o djelima Ugra, izrijekom stoji da je Zvonimir bio šurjak ugarskoga hercega (i poslije kralja) Gejze – treba istaknuti da se Zvonimirova supruga ne imenuje – ustaljeno se uzima da je Jelena pripadala dinastiji Arpadovića, pa bi joj u slučaju mađarskog porijekla ime glasilo Ilona. No nova tumačenja pokazuju da je bračno srodstvo između Zvonimira i Arpadovića po svoj prilici konstruirano u 14. stoljeću za potrebe nove ugarsko-hrvatske dinastije Anžuvinaca koja se učvršćivala na vlasti. Jedna od središnjih tema Kronike o djelima Ugra pitanje je nasljeđivanja prijestolja u Ugarskoj i dinastičkog legitimiteta. Kroničar je dokazivao baštinsko pravo Arpadovića na hrvatsku krunu, što je podrazumijevalo jednako nasljedno pravo Anžuvinaca koji su zasjeli na ugarsko prijestolje temeljem braka napuljskoga kralja Karla II. Anžuvinca (†1309.) i Marije Arpadović (†1323.), kćeri kralja Stjepana V. (†1272.) i sestre kralja Ladislava IV. (†1290.), posljednje dvojice neospornih ugarskih kraljeva iz dinastije Arpadovića. Anžuvinci su pričom o tome da su Arpadovići preuzeli hrvatsku krunu na osnovi ženidbenog srodstva s hrvatskim kraljem Zvonimirom mogli dodatno osnažiti položaj, osobito u nastojanju da ustanove autoritarne oblike vladavine u Hrvatskoj, ali i da potkrijepe kraljevsko pravo na Dalmaciju. Izazov su im bili uputili moćni hrvatski velikaši knezovi Bribirski koji su se po svemu sudeći služili Zvonimirovim likom da očuvaju gotovo neovisan položaj u odnosu na vladara, predstavljajući se kao Zvonimirovi prirodni nasljednici jer je do 13. stoljeća, kao što svjedoči povjesnica Tome Arhiđakona iz Splita, ustanovljena tradicija po kojoj je Zvonimir kao posljednji domaći hrvatski kralj umro bez zakonita nasljednika. K tome, Venecija se 1358. – upravo u vrijeme kada je nastala Kronika o djelima Ugra – Zadarskim mirom odrekla cijele istočnojadranske obale u korist ugarskoga kralja pa bi onakav prikaz prošlosti potvrđivao njegovo zakonito pravo na Dalmaciju. Otuda se iz anžuvinskoga gledišta uspostava dinastičkog kontinuiteta najjednostavnije mogla ostvariti uvođenjem bračne veze između Zvonimira i Arpadovića kao valjane pravne osnove za baštinjenje krune i prava na područja kojima je nekoć vladao Zvonimir, Papinom potvrdom zakoniti kralj Hrvatske i Dalmacije. Da bračna veza između Zvonimira i Arpadovića nije zaista vjerojatna, može se zaključiti i po tome što joj nema traga u onovremenim izvorima. U pismu koje je 1091. uputio montekasinskom opatu Oderiziju s namjerom da ishodi njegovu potporu u nastojanju da mu papa Urban II. prizna hrvatsku krunu, Ladislav I. se ne poziva na srodstvo sa Zvonimirom, iako bi mu ono bilo presudan argument da osvajački pohod na Hrvatsku prikaže kao legalan čin.
Jelena je stoga po svoj prilici potjecala iz uglednoga hrvatskog roda. Ako joj Jelena nije bilo krsno ime, mogla ga je uzeti nakon Zvonimirove krunidbe, upravo kao poveznicu na slavnu trpimirovićevsku kraljicu. Jedino sigurno potvrđeno njezino i Zvonimirovo dijete bio je sin Radovan spomenut u dvjema ispravama, jednoj iz 1078. i drugoj iz 1083. godine, sačuvanima u talijanskom prijevodu iz 17. stoljeća. U objema je označen „sinčićem“ (talijanski figliuolo, latinski filiolus), unatoč tome što je datacijski razmak među njima pet godina, što poziva na oprez jer postoji mogućnost da je druga isprava zapravo oblikovana prema prvoj. Kako bilo, može se ustvrditi da je 1078. Radovan bio dječačić od nekoliko godina, što navodi na zaključak da je bio rođen početkom 1070-ih. Budući da nije naslijedio oca i više se ne spominje u vrelima, misli se da je umro prije 1089. godine. Njegovom smrću propale su eventualne Zvonimirove nade u utemeljenje vlastite dinastije. U ispravi iz 1360. godine kojom je kralj Ludovik I. Anžuvinac potvrdio plemićkom rodu Karinjana posjed Karin zabilježena je Zvonimirova kći Klauda ili, kako joj se ime popravlja, Klaudija. Članovi roda dali su iskaz da su rečeni posjed baštinili od pretka Vnihe iz roda Lapčana, a on ga je navodno dobio u miraz od kraljevskoga tasta, čijom se kćeri oženio. Spomen Klaude mnogo je bolje protumačiti u svjetlu korištenja Zvonimirova lika u 14. stoljeću, pa je po svoj prilici ovdje riječ o obiteljskoj predaji koja je poslužila kao dokazno sredstvo u očuvanju posjeda. Shodno tome, Zvonimirova kći Klaud(ij)a nikada nije postojala.
Zvonimira je tako, čini se, mogla nadživjeti jedino Jelena. Na temelju Kronike o djelima Ugra obično se vjeruje da je uzela djelatnu ulogu u političkim zbivanjima, napose nakon smrti kralja Stjepana III. Trpimirovića, te da je u pokušaju da se održi na vlasti pozvala brata Ladislava I. u pomoć. No prihvati li se ideološka tendencioznost pripovijesti u kroničarskom izvoru iz 14. stoljeća te se isključi kao relevantno svjedočanstvo o zbivanjima u Hrvatskoj potkraj 11. stoljeća, nestaje svaka osnova postojećem prikazu događaja. Možda se trag u vezi sa stvarnom Jeleninom sudbinom krije u djelomično sačuvanom natpisu s oltarne pregrade iz crkve sv. Mihajla na otoku Koločepu sjeverozapadno od Dubrovnika, na kojemu se spominje „sestra i kraljica“ (soror et regina) kao darovateljica crkve. Predloženo je da se iza tog sklopa krije Jelena kao sestra Ladislava I. jer natpis potječe iz druge polovice 11. stoljeća. Polazeći od toga da se Zvonimirovu suprugu može s velikom vjerojatnošću identificirati kao darovateljicu (jedina druga onovremena istaknuta kraljica na ovim prostorima bila je Jakvinta, supruga dukljanskoga kralja Konstantina Bodina), mnogo ispravnije bilo bi pretpostaviti da riječ „sestra“ označava njezin redovnički status, što je utoliko smislenije jer prethodi riječi „kraljica“. Otuda bi se možda smjelo zaključiti da je Jelena nakon muževe smrti pristupila benediktinkama – ne bi bilo nevjerojatno da je to učinila prinudno za vladavine Stjepana III. koji se i sâm pod Zvonimirom morao skloniti u samostan – te da je tom prilikom vlastitim sredstvima platila izgradnju crkve sv. Mihajla. Možda nije slučajno ni što je naslovnik crkve arhanđeo Mihael koji je poput sv. Demetrija bio bizantski vojnički svetac. Ako je suditi po lokaciji crkve, samostan benediktinki u koji je stupila Jelena valjalo bi tražiti u Dubrovniku i okolici, a u obzir bi mogao doći dubrovački samostan sv. Šimuna koji je, kako se čini, osnovan još u 11. stoljeću. Tako bi Jelena, daleko od Hrvatskog Kraljevstva i smutnji u koje je potonulo, okončala svoje dane kao sestra redovnica i bivša kraljica.