Гуинет и Брад Пит се сгодяват през декември 1996 г., но двойката се разделя през юни 1997 г. От 1997 до 2000 г. има връзка с актьора Бен Афлек. През 2002 г. се запознава с Крис Мартин, вокал на групата „Колдплей“. През 2003 г. двамата сключват брак в тесен кръг в хотел в Южна Калифорния.Полтроу и Мартин имат две деца – момиче на име Епъл и момче на име Моузес. През 2014 г. Гуинет обявява, че семейството се разделя и е подадена молба за развод, причината е „непреодолими различия“. През 2015 г. се развеждат.
От месец август 2014 г. има любовна връзка с Брад Фолчък, който един от създателите на сериала „Клуб Веселие“.