Cô hẹn hò với nam diễn viên người Pháp Michaël Youn từ năm 2004 đến năm 2006. Anh chia tay với cô sau khi phát hiện ra cô đang lừa dối anh. Anh muốn tạo bất ngờ cho cô ấy vào ngày sinh nhật khi cô ấy đang quay phim Snakes on a Plane ở Canada, nhưng khi anh đến khách sạn của cô ấy, anh ấy thấy cô đang hôn một trong những nhà sản xuất của bộ phim. Anh tặng cô bó hoa mà anh đã mua cho cô và bay về Paris.

Năm 2006, cô hẹn hò với nam diễn viên người Mỹ Adrien Brody. Vào sinh nhật lần thứ 31 của Pataky vào tháng 7 năm 2007, Brody đã mua cho cô một căn hộ ở New York..Pataky và Brody đã được giới thiệu tại nhà ở New York của họ trong một bài báo dài 35 trang trong tạp chí HELLO! phát hành tháng 10 năm 2008. Cặp đôi sau đó chia tay vào năm 2009.[7]

Cô bắt đầu hẹn hò với nam diễn viên người Úc Chris Hemsworth vào đầu năm 2010 sau khi gặp gỡ thông qua đại diện chung của họ. Pataky và Hemsworth kết hôn trong kỳ nghỉ lễ Giáng sinh năm 2010. Họ có với nhau ba người con: một con gái, India Rose, sinh tháng 5 năm 2012, và hai con trai sinh đôi, Tristan và Sasha, sinh tháng 3 năm 2014.[8] Năm 2015, Pataky và Hemsworth chuyển từ Los Angeles đến Vịnh Byron ở Australia.[9]