Im Alter von 14 Jahren lernte Thicke die ein Jahr ältere Paula Patton kennen, die heute eine bekannte Schauspielerin ist. Die beiden waren seit 2005 verheiratet und haben seit dem 6. April 2010 einen gemeinsamen Sohn. Am 24. Februar 2014 gab das Paar seine Trennung bekannt. Patton reichte am 9. Oktober 2014 die Scheidung ein, die bis März 2015 vollzogen wurde. Zwei Monate später trat Thicke auf den Internationalen Filmfestspielen von Cannes zum ersten Mal öffentlich mit seiner neuen Partnerin April Love Geary (* 1994) auf. Im Februar 2018 wurden die beiden Eltern ihrer ersten gemeinsamen Tochter Mia Love. Im August 2018 veröffentlichte April Love Geary ein Ultraschallbild ihres zweiten Kindes Lola Alain, das Ende Februar 2019 zur Welt kam.