Năm 1959, cô lập gia đình với một người chồng lớn hơn cô 2 tuổi, theo sự sắp xếp của mẹ và các anh. Tuy nhiên, cuộc hôn nhân tan vỡ sau 5 năm, dù 2 người đã có chung 1 đứa con (sinh năm 1961).

Năm 1968, cô gặp ông Tony Nguyễn Xuân Oánh, một Tiến sĩ Kinh tế lớn hơn cô 19 tuổi, từng làm Thống đốc Ngân hàng rồi Phó thủ tướng Việt Nam Cộng hòa. Chính ông là người giúp đỡ cô lập ra hãng phim Thẩm Thúy Hằng. Năm 1970, cô chính thức lên xe hoa lần thứ 2. Sau năm 1975, ông từng được bầu làm Ủy viên Trung ương Mặt trận Tổ quốc Việt Nam, Đại biểu Quốc hội nước Cộng hòa Xã hội chủ nghĩa Việt Nam, rồi làm cố vấn kinh tế cho Tổng bí thư Nguyễn Văn Linh, và Thủ tướng Võ Văn Kiệt. Hai người có với nhau 4 người con.