2002 lernte Mühe bei den Dreharbeiten zu dem Film "Was nützt die Liebe in Gedanken" (2004) den Regisseur Timon Modersohn kennen. Mühe und Modersohn waren zunächst viele Jahre nur befreundet, bevor sie eine Beziehung miteinander eingingen. Ab ca. 2009 waren die beiden liiert. Auf der Berlinale 2012 zeigten sie sich erstmals öffentlich als Paar. Mühe und Modersohn haben seit November 2012 eine gemeinsame Tochter und trennten sich Anfang 2016.