От пристального внимания прессы не ускользнули романтические отношения и помолвка Пэлтроу с Брэдом Питтом, также как и её увлечение Беном Аффлеком. О разрыве с Питтом позже она упоминала с сожалением.
В 1999 и 2000 годах Пэлтроу стала объектом навязчивого преследования человеком по имени Данте Майкл (Dante Michael Siou), который, по сведениям некоторых источников, якобы посылал актрисе от пяти до десяти посылок в неделю, от признаний в любви, цветов и сладостей до религиозных памфлетов и непристойностей. Актриса получала десятки писем еженедельно и более 1200 электронных писем в общей сложности. За этим последовали угроза сексуального характера и неоднократные появления Данте в доме Пэлтроу. Преследования продолжались несмотря на полученное Данте предупреждение от ФБР, после чего он был приговорён к нескольким годам лечения в психиатрической лечебнице.
5 декабря 2003 года Гвинет Пэлтроу вышла замуж за Криса Мартина (Chris Martin), музыканта рок-группы «Coldplay». Свадебная церемония прошла в тайне от всех в Южной Калифорнии. 14 мая 2004 года в Лондоне Пэлтроу родила дочь, которой дали имя Эппл (Apple Blythe Alison Martin). Необычное имя дочери (в переводе с англ. Apple означает Яблоко) во время известного шоу Опры Уинфри (Oprah Winfrey) Пэлтроу объяснила так: «Это слово звучало мило и звонко и вызывало у меня такие приятные ассоциации!»
Второй ребёнок Пэлтроу, сын, также получивший необычное (библейское) имя Мосес, т. е. Моисей (Moses Bruce Anthony Martin), родился 8 апреля 2006 года в Нью-Йоркском госпитале «Mount Sinai Hospital» посредством кесарева сечения.
В мае 2005 Пэлтроу признала, что страдает клинической депрессией, вызванной безвременной кончиной её отца Брюса Пэлтроу.
Гвинет Пэлтроу придерживается строго вегетарианского образа жизни.