Khoảng đầu năm 2011, Tâm Tít bị bắt gặp thường xuyên đi chung với cầu thủ bóng đá Sỹ Mạnh. Khi những bức ảnh thân thiết được đăng tải, Tâm Tít giải thích đó chỉ là những khoảnh khắc anh em chơi thân với nhau. Một thời gian sau đó, cả hai không còn xuất hiện cùng nhau. Tâm Tít và Thế Bảo, anh trai của nữ ca sĩ Bảo Thy chính thức hẹn hò vào cuối năm 2013, cặp đôi chia tay vào đầu tháng 7 năm 2014 khi Thế Bảo gửi "tâm thư" cho rằng yêu Tâm Tít là "sai lầm nhất trong đời".

Tháng 11 năm 2014, Tâm Tít bị truyền thông bắt gặp tại quán bar ở Hà Nội với bạn trai Chu Ngọc Thành, doanh nhân sinh năm 1983. Ngày 27 tháng 12 năm 2014, Tâm Tít và Ngọc Thành bí mật tổ chức lễ ăn hỏi khi cô đang mang thai ở tháng thứ 3.[5] Sáng ngày 6 tháng 1 năm 2015, Tâm Tít cùng chồng và gia đình hai bên đã làm lễ Hằng thuận tại Thiền viện Sùng Phúc, Hà Nội.[6]

Hôn lễ của Tâm Tít và Chu Ngọc Thành diễn ra vào chiều ngày 10 tháng 1 năm 2015 tại Cung Văn hóa Hữu nghị Hà Nội với khoảng 800 khách mời.[7]

Sáng ngày 19 tháng 6 năm 2015, Tâm Tít sinh con trai đầu lòng Chu Chí An bằng phương pháp sinh mổ tại bệnh viện Việt Pháp (Hà Nội). Em bé được đặt tên thân mật là Alex.[8] Ngày 5 tháng 4 năm 2017, Tâm Tít đăng ảnh tiết lộ đang mang thai con trai thứ 2 được 22 tuần trên trang Facebook cá nhân.[9]