Chồng bà là đạo diễn, nhà biên kịch, họa sỹ, nhà thơ Phan Vũ. Cả hai quen biết nhau khi bà còn là phát thanh viên ở Đài phát thanh Nam Bộ. Năm 1952, Phan Vũ đang công tác tại Ban chấp hành Chi hội văn nghệ Nam Bộ. Khi đó ông dựng một vở kịch sân khấu và Phi Nga tham gia diễn xuất. Đến năm 1954, sau khi tập kết ra Bắc, hai người kết hôn.[2] Trong lúc Phi Nga đang mang thai, Phan Vũ từng được cử sang học điện ảnh ở Liên Xô nhưng ông đã từ chối.[17] Sau khi có hai người con (nhà báo Việt Nga và đạo diễn Phan Điền) thì Phan Vũ phát hiện bệnh tim của vợ. 10 năm cuối đời, khi Phi Nga bị tai biến mạch máu não, mọi sinh hoạt của bà đều do chồng chăm sóc.[18] Sau khi Phi Nga qua đời, Phan Vũ dần chuyển từ đạo diễn sang làm họa sĩ. Hình ảnh của người vợ cũ thường xuyên xuất hiện trong nhiều tác phẩm của ông. Năm 1999, Phan Vũ tái hôn với người vợ sau là nhà báo Diễm Chi, vốn là đồng nghiệp của con gái ông là Việt Nga.[19][20]