Ngày 19 tháng 10 năm 2001, Casta chào đón đứa con gái đầu lòng Sahteene với cha ruột của cô bé là nhiếp ảnh gia Stéphane Sednaoui. Kế đó Casta đính hôn với nam diễn viên người Ý Stefano Accorsi. Cặp đôi có hai đứa con: con trai tên là Orlando (sinh ngày 21 tháng 9 năm 2006) còn con gái tên Athena (sinh ngày 29 tháng 8 năm 2009).[27] Tháng 6 năm 2017, Casta kết hôn với bạn trai mà cô hẹn hò trong hai năm là nam diễn viên đồng hương Louis Garrel.[28]