Từ năm 1985 đến 2001, Marceau có quan hệ tình ái với đạo diễn Andrzej Żuławski.[5][17] Con trai của họ tên là Vincent chào đời vào tháng 7 năm 1995. Năm 2001, nữ diễn viên chia tay Żuławski để bắt đầu yêu nhà sản xuất Jim Lemley trong 6 năm. Cặp đôi có một cô con gái tên Juliette, chào đời vào tháng 6 năm 2002 tại Luân Đôn. Nữ minh tinh còn hẹn hò với Christopher Lambert từ năm 2007; họ từng là bạn diễn trong các phim La disparue de Deauville và L'homme de chevet.[18] Hai người tuyên bố chia tay vào ngày 11 tháng 7 năm 2014.[19] Ngoài ra Marceau là một nhạc công cello được đào tạo bài bản và từng thể hiện sở trường này trong phim Lost & Found (1999); bà là người song ngữ (nói tốt cả tiếng Anh lẫn tiếng Pháp).