ดิลลอน แต่งงานครั้งแรกกับ เจมส์ โมเซลลี เมื่อวันที่ 1 สิงหาคม 2496 ในปารีส โดยมีบุตรด้วยกัน 1 คน คือ

1. โจน โมเซลลี

เมื่อวันที่ 12 ธันวาคม 2498 การแต่งงานถูกเพิกถอนในกรุงโรม ประเทศอิตาลี

ต่อมาในปี 2510 เธอได้เสกสมรสกับ เจ้าชายชาร์ลแห่งลักเซมเบิร์ก พระโอรสใน แกรนด์ดัชเชสชาร์ล็อตแห่งลักเซมเบิร์ก กับ เจ้าชายเฟลิกซ์แห่งบูร์บง-ปาร์มา โดยได้รับพระราชทานพระอิสริยยศที่ เฮอร์รอยัลไฮนีส เจ้าหญิงชาร์ลแห่งลักเซมเบิร์ก เจ้าชายชาร์ลทรงอุปถัมภ์และรักบุตรสาวของพระชายาที่เกิดกับสามีคนก่อนประดุขพระบุตรแท้ๆ ซึ่งต่อมาพระองค์และเจ้าชายชาลส์พระบุตร 2 พระองค์ดังนี้

1. เจ้าหญิงชาร์ลอตต์
2. เจ้าชายโรเบิร์ต

ต่อมาเมื่อเจ้าชายชาร์ลสิ้นพระชนม์ลงเมื่อวันที่ 26 สิงหาคม พ.ศ. 2520 เจ้าหญิงชาร์ลหรือนางดิลลอนได้ขอพระราชทานลาออกจากพระอิสริยยศเพื่อเสกสมรสใหม่กับ ฟิลิป เดอ นอยด์เลส ดยุกแห่งมูร์เชียร์ ไม่มีบุตรร่วมกัน แต่ถึงแม้เธอจะลาออกจากฐานันดร แต่เธอยังถือเป็นพระบรมวงศานุวงศ์แห่งลักเซมเบิร์ก เพราะยังทรงเป็นพระมารดาในเจ้าชายและเจ้าหญิงแห่งลักเซมเบิร์ก นางดิลลอน หรือชื่อหลังสมรสคือ ดิลลอน เดอ นอยด์เลส ดัชเชสแห่งมูร์เชียร์ ก็ยังมาร่วมงานของพระราชวงศ์เสมอๆ และอกทั้งยังได้รับความเคารพจาพระราชวงศ์ลักเซมเบิร์กด้วย เนื่องจากทรงเป็นอดีตพระปิตุลานี (อาสะใภ้) ใน แกรนด์ดยุกอ็องรีแห่งลักเซมเบิร์ก

ในเดือนเมษายน 2559 โจน ดิลลอนได้มีอาการป่วยเกี่ยวกับระบบทางเดินหายใจ และเข้ารับการรักษาในโรงพยาบาลแห่งหนึ่งในรัฐฟลอริดา ในการนี้ แกรนด์ดยุกอ็องรีแห่งลักเซมเบิร์ก และ แกรนด์ดัชเชสมาเรีย เตเรซาแห่งลักเซมเบิร์ก ได้พระราชทานช่อดอกไม้และทรงพระอักษรถึงนางดิลลอน