Poehler berkahwin dengan pelakon Will Arnett pada 29 Ogos 2003,[13] dan mempunyai peranan berulang pada siri Arrested Development sebagai isteri watak Arnett Gob Bluth. Mereka juga memainkan pasukan luncur ais bersaudara dalam filem 2007, Blades of Glory, dan muncul bersama-sama dalam Horton Hears a Who!, On Broadway, Spring Breakdown, KIDSCITY: The Village Dome of Kids dan Monsters vs. Aliens, bersama-sama dengan Arnett yang mempunyai penampilan tetamu di Parks and Recreation. Kedua-duanya juga menyumbangkan suara dalam The Secret World of Arrietty.

Poehler dan Arnett mempunyai dua anak lelaki: Archie (lahir Oktober 2008) dan Abel (lahir Ogos 2010).[14][15] Poehler dan Arnett mengumumkan pada 6 September 2012 bahawa mereka berpisah.[16] Arnett memfailkan perceraian pada 8 April 2014.[17] Perceraian itu dimuktamadkan pada 29 Julai 2016.[18]