Zeta-Jones er gift med skuespilleren Michael Douglas. De giftet seg i New York 18. november 2000, og sammen har de to barn. Zeta-Jones er født på samme dag som Douglas, men han er 25 år eldre enn henne. Den eldste av de to barna, sønnen Dylan Michael Douglas, ble født 8. august 2000. Mens hun gikk gravid med ham spilte Zeta-Jones inn filmen sammen med Douglas. Datteren Carys Zeta Douglas ble født 20. april 2003. Zeta-Jones har uttalt at hun ønsker at barna skal være seg bevisst sin walisiske bakgrunn, og hun har bygget et hjem for familien i sin hjemby i Swansea.