Williams kết hôn với người vợ đầu tiên với bà Valerie Velardi vào năm 1978. Hai người chia tay sau 10 năm chung sống do ông bị phát hiện ngoại tình với một nữ nhân viên phục vụ quầy rượu. Ông và bà vợ đầu tiên có một con trai tên Zachary.

Người vợ thứ hai của Robin Williams là bà Marsha Garces vốn là vú em của gia đình. Cô và Robin làm đám cưới vào năm 1989 bà Marsha Garces đang mang bầu con gái của hai người. Chỉ một năm sau khi hoàn tất thủ tục ly dị với người vợ thứ nhất, Robin đã kết hôn với bà Marsha Garces. Ông và Marsha chung sống từ năm 1989 tới năm 2008 và có một con trai và một con gái.

Người vợ thứ ba của Robin là nhà thiết kế Susan Schneider, họ tổ chức đám cưới vào năm 2011.