Kim Chi có hai người con với đạo diễn Hồng Sến. Con gái lớn Mai Phương cũng đã từng đóng phim, hiện mở quán cà phê ở Long Thành. Con trai Hồng Chi hiện cũng là đạo diễn. Hiện bà đang sống với người chồng thứ ba từ năm 1996 là giáo sư Vũ Linh, từng giảng dạy môn Vật lý điện tử tại Đại học Bách khoa Hà Nội.

Kết hôn lần 4

Năm 77 tuổi, Kim Chi kết hôn với PGS TS Mạc Văn Trang, 82 tuổi vào đầu tháng 5 năm 2020. [9]

Quen nhau qua Facebook

Qua cuộc nói chuyện với đài BBC, bà Chi kể, bà và PGS Mạc Văn Trang biết nhau chủ yếu là do đọc các bài viết của nhau trên Facebook. Cuối năm 2018, sau khi hai người cùng tuyên bố bỏ Đảng Cộng sản Việt Nam vì sự kiện GS Chu Hảo bị kỷ luật, bà mong muốn có dịp được gặp ông Trang." Cuôi năm 2019, sau khi ra Hà Nội thăm cha đỡ đầu là tướng Nguyễn Trọng Vĩnh, bà và ông Trang cùng tham gia nhiều chuyến đi và có nhiều cơ hội để gần gũi nhau hơn. [9]