Mendes kết hôn với nữ diễn viên người Anh Kate Winslet vào tháng 5 năm 2003 trong một kỳ nghỉ tại Anguilla.[13] Trước đó anh đã từng hẹn hò với Rachel Weisz và Calista Flockhart.[14]

Mendes gặp Winslet vào năm 2001 khi Mendes đang thuyết phục Winslet tham gia vào một vở kịch tại Nhà hát Donmar Warehouse mà trong đó anh đóng vai trò làm đạo diễn mỹ thuật.[15] Con trai của họ được sinh ra vào ngày 22 tháng 12 năm 2003.[13] Mendes ngoài ra cũng có một người con gái khác là Mia từ cuộc hôn nhân đầu tiên của Winslet với nhà làm phim Jim Threapleton.[15] Người đại diện của cặp đôi thông báo vào ngày 15 tháng 3 năm 2010 rằng "họ đã chia tay vào đầu năm nay."[13] Sau khi li hôn, Mendes bắt đầu mối quan hệ mới với nữ diễn viên Rebecca Hall.[16]