Roberts cukup terkenal dengan perhubungan romantiknya dengan beberapa pelakon lelaki popular seperti Liam Neeson, Dylan McDermott, Kiefer Sutherland, Daniel Day-Lewis, Matthew Perry, dan Benjamin Bratt. Malah beliau telah bertunang dengan Dylan McDermott dan juga Kiefer Sutherland tetapi memutuskan pertunangannya dalam masa yang singkat. Pada 27 Jun, 1993, beliau berkahwin dengan penyanyi country Lyle Lovett tetapi perkahwinan ini berakhir dua tahun kemudian.

Beliau berjumpa dengan suaminya yang baru, jurukamera Daniel Moder, sewaktu penggambaran The Mexican pada tahun 2000 dan mereka berkahwin pada 4 Julai 2002, di ladangnya di Taos, New Mexico. Pada 28 November, 2004, mereka dikurniakan anak kembar, anak perempuan Hazel Patricia dan anak lelaki Phinnaeus Walter. Anaknya yang bongsu Henry Daniel Moder, dilahirkan pada 18 Jun, 2007 di Los Angeles.