ด้านชีวิตส่วนตัว ชาร์ลีซเคยคบหาดูใจกับสจวร์ต ทาวน์เซ็นด์ นักแสดงชาวไอริช เป็นเวลายาวนานถึง 9 ปี (พ.ศ. 2544-2553) หลังจากนั้นในปี พ.ศ. 2557 เธอได้คบหากับฌอน เพนน์ และมีข่าวลือออกมาว่าทั้งคู่มีแผนจะแต่งงานกัน อย่างไรก็ดีในช่วงกลางปี พ.ศ. 2558 ทั้งคู่ก็ได้เลิกรากันไป ปัจจุบันชาร์ลีซใช้ชีวิตโสดอยู่กับลูกสองคนคือ แจ็กสัน และออกัสต์ บุตรบุญธรรมที่เธอได้อุปการะมาเมื่อปี พ.ศ. 2555 และ พ.ศ. 2558 ตามลำดับ