Talulah Riley-Milburn dilahirkan di Hertfordshire sebagai anak tunggal kepada Una Riley, pengasas syarikat sistem keselamatan dan syarikat perhubungan awam,[10] dan Doug Milburn, bekas pengerusi National Crime Squad. Bapanya kini bekerja sebagai penulis skrip dan telah menulis skrip episod Silent Witness, Prime Suspect, dan The Bill. Beliau bersekolah di Cheltenham Ladies College, Berkhamsted Collegiate School, dan Haberdashers' Aske's School for Girls. Sewaktu mengikuti kelas lakonan di London, Riley belajar matematik, fizik, dan ekonomi di Open University.

Riley berkahwin dengan usahawan Elon Musk, CEO SpaceX dan Tesla Motors, pada 25 September 2010 di Katedral Dornoch di Scotland.[11] Pada Januari 2012, ia diberitakan bahawa keduanya akan bercerai.[12] Beliau akan menerima $4,2 juta dari kekayaan bersih Musk sebanyak $2 bilion pada waktu itu.[13]