ตอนอายุ 24 ปี พัลโทรว์หมั้นกับนักแสดงชาวอเมริกัน แบรด พิตต์ ซึ่งทั้งคู่คบหากันแต่ปี 2537 ถึง 2540[14] ทั้งคู่ยกเลิกการหมั้น โดยพัลโทรว์ให้เหตุผลว่าเธอยังไม่พร้อมสำหรับการแต่งงาน[18]

พัลโทรว์มีความสัมพันธ์แบบไม่มั่นคงกับนักแสดงชาวอเมริกัน เบน แอฟเฟล็ก ตั้งแต่ปี 2540 ถึงปลายปี 2543[19]

ในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2545 พัลโทรว์ได้พบกับ คริส มาร์ติน นักร้องชาวอังกฤษ จากวงโคลด์เพลย์ สามสัปดาห์หลังจากการตายของพ่อของเธอ ทั้งคู่แต่งงานกันในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2546 ที่รัฐแคลิฟอร์เนีย โดยพัลโทรว์ตั้งท้องลูกคนแรกในช่วงที่ทั้งคู่แต่งงานกัน[20]พัลโทรว์และมาร์ตินมีลูกสองคนด้วยกัน คนแรกคือลูกสาว ชื่อว่า แอปเปิล เกิดในเดือนพฤษภาคม 2547[21][22] และลูกชาย โมเสส เกิดในเดือนเมษายน 2549[23][24] ในเดือนเมษายน พ.ศ. 2558 พัลโทรว์ฟ้องหย่าสามีของเธอ[25] และทั้งคู่หย่าร้างกันในวันที่ 14 กรกฎาคม 2559[26]