Cox có nhiều mối quan hệ với nhiều người trong đấy có một người họ hàng, nhà tài trợ nhạc rock Ian Copeland.[19]

Cox hẹn hò với diễn viên Micheal Keaton trong 6 năm từ 1989 đến 1995. Cox kết hôn với diễn viên David Arquette vào ngày 12 tháng 6 năm 1999.[20] Sau khi con gái của họ, Coco, ra đời vào tháng 6 năm 2004,[21][22] Cox phải trải qua chứng trầm cảm sau sinh.[23] Jennifer Aniston là mẹ đỡ đầu của Coco.[24] Vào ngày 11 tháng 10 năm 2010, Cox và Arquette thông báo Ly thân, nhưng họ vẫn duy trì mối quan hệ bạn bè và quan hệ hợp tác công việc.[25][26][27] Tháng 6 năm 2012, Arquette điền vào đơn ly hôn sau gần 2 năm ly thân với Cox.[28]