Phi Thanh Vân lấy chồng đầu hơn cô tới 15 tuổi. Chồng cô là người Pháp có tên Thierry Blanc sinh năm 1967. Trước khi cưới Thanh Vân, ông từng có một cuộc hôn nhân và con riêng. Trong cuộc hôn nhân này, Phi Thanh Vân vài lần bị sẩy thai và không có con với chồng.[2] Năm 2012 hai người ly hôn.

Năm 2014, Phi Thanh Vân công khai mối tình với bạn trai Nguyễn Bảo Duy trẻ hơn 2 tuổi. Anh này cũng từng lập gia đình và đã ly dị. Tháng 8 năm 2014 cô thông báo đã có thai với bạn trai,[3] tuy nhiên tiếp tục bị sẩy.[4] Năm 2014 hai người kết hôn. Đến tháng 2 năm 2016 hai người có con trai.[5]