Năm 1964, Phượng Liên kết hôn cùng với NSND Diệp Lang, họ có hai người con (1 trai và 1 gái). Đến năm 1966, khi con gái chưa đầy 2 tháng tuổi, cuộc hôn nhân rạn nứt. Sau khi chia tay, hai người đều có ý định muốn quay lại với nhau nhưng không thành.

Đến năm 1974, Phượng Liên làm quen với Đại tá Nguyễn Đình Vinh trong một dịp ông đi xem vở cải lương mà Phượng Liên đang diễn cho đoàn Bạch Tuyết Hùng Cường. Cho đến năm 1988, cả hai mới tiến đến hôn nhân sau 13 năm chồng cô đi cải tạo. Đến năm 1993, Phượng Liên cùng chồng sang định cư tại California (Hoa Kỳ) theo viện HO. Hiện tại, cô cùng chồng đang sống trong căn nhà gần khu Phước Lộc Thọ.