Năm 2010, Nowitzki gặp và bắt đầu hẹn hò với Jessica Olsson, em gái của hai cầu thủ bóng đá Thụy Điển Martin Olsson và Marcus Olsson. Cặp đôi kết hôn vào ngày 20 tháng 7 năm 2012, tại nhà của Nowitzki ở Dallas. Họ có một con gái, sinh vào tháng 7 năm 2013 và hai con trai, sinh vào tháng 3 năm 2015 và tháng 11 năm 2016. Mặc dù Nowitzki đã cân nhắc việc nhập quốc tịch Hoa Kỳ, tuy nhiên anh vẫn mang quốc tịch Đức.