Bellucci kết hôn với nhiếp ảnh gia người Ý Claudio Carlos Basso vào năm 1990; họ ly hôn sau 18 tháng chung sống.[32]

Bellucci gặp diễn viên người Pháp Vincent Cassel năm 1996 khi cả hai cùng xuất hiện trong bộ phim L'appartement.[33] Cả hai cùng đóng chung với nhau trong năm bộ phim. Bellucci và Cassel tổ chức lễ cưới vào năm 1999[33] và có hai người con: Deva (sinh 2004)[34] và Léonie (sinh 2010).[35] Cặp đôi công bố việc ly hôn vào ngày 26 tháng 8 năm 2013.[33]

Bà từng nói: "Tôi là người theo thuyết bất khả tri, mặc dù tôi tôn trọng và quan tâm đến tất cả các tôn giáo. Nếu có điều gì đó tôi tin vào thì đó là một năng lượng bí ẩn; một năng lượng lấp đầy các đại dương khi có thủy triều, một năng lượng hợp nhất thiên nhiên và chúng sinh."[36]

Năm 2009, Bellucci ký một bản kiến ​​nghị ủng hộ đạo diễn Roman Polanski để kêu gọi thả tự do sau khi ông bị giam giữ vì cáo buộc về tội đánh thuốc mê và cưỡng hiếp một bé gái 13 tuổi vào năm 1977.[37]

Bellucci thông thạo tiếng Ý, tiếng Anh, tiếng Pháp và tiếng Tây Ban Nha.[38][39] Bà cũng học tiếng Aram cho vai diễn của mình trong Cuộc khổ nạn của Chúa Giêsu[39] và tiếng Ba Tư để tham gia bộ phim Fasle Kargadan của đạo diễn người Iran Bahman Ghobadi.[40]