Bố của Gwyneth là đạo diễn, nhà viết kịch bản và nhà sản xuất phim truyền hình và điện ảnh Bruce Paltrow. Còn mẹ của cô là nữ diễn viên Blythe Danner, người từng đoạt các giải thưởng Emmy và Tony.

Ngày 5 tháng 12 năm 2003, Gwyneth kết hôn với ca sĩ Chris Martin (thuộc nhóm nhạc rock Coldplay). Năm tháng sau, vào ngày 14 tháng 5 năm 2004, tại Luân Đôn, Gwyneth sinh hạ một cô con gái và đặt tên là Apple Blythe Alison Martin.